Durant la Primera Guerra Mundial, Neilson va servir en la infanteria de l'Exèrcit dels Estats Units com a tinent. El 1917, a l'edat de 41 anys, es va presentar per a la formació d'oficials, situada a Plattsburgh, Nova York. El 1918, Neilson va participar en la Segona Batalla del Marne
, durant el qual el seu oficial comandant va morir. Durant la batalla va ser ferit, però tot i així va prendre el comandament dels seus companys soldats i els va atrinxerar amb seguretat durant 24 hores. Va patir una ferida de bala a l'estómac i diverses ferides de fragments. Va passar la resta de la guerra hospitalitzat i més tard va ser guardonat amb la Creu de Guerra francesa i la Creu de Servei Distingit.