W styczniu 1915 roku, dzień przed wezwaniem do służby wojskowej w I wojnie światowej, ożenił się z Rosą Koch. Został przydzielony do artylerii na froncie zachodnim, gdzie pozostał do końca wojny, biorąc udział w bitwie pod Champagne.
(1915-1916), bitwa nad Sommą (1916), bitwa pod Arras (1917), druga bitwa pod Aisne (1917), bitwa pod Cambrai (1917) (1917) i bitwa pod Soissons (1918). Za swoje zasługi Thälmann otrzymał Żelazny Krzyż Drugiej Klasy, Krzyż Hanzyjski i Odznakę Rany (dwukrotnie).