En gener de 1915, un dia abans de ser cridat al servei militar a la Primera Guerra Mundial, es va casar amb Rosa Koch. Va ser enviat a l'artilleria al front occidental, on es va quedar fins al final de la guerra, participant en la Batalla de Champagne.
(1915<unk>1916), la Batalla del Somme (1916), la Batalla d'Arras (1917), la Segona Batalla de l'Aisne (1917), la Batalla de Cambrai (1917) (1917) i la Batalla de Soissons (1918). Pel seu servei, Thälmann va rebre la Creu de Ferro de Segona Classe, la Creu Hanseàtica i la Insignia de la Ferida (dos cops).