Ensimmäisen maailmansodan aikana Neilson palveli Yhdysvaltain armeijan jalkaväessä luutnanttina. Vuonna 1917, 41-vuotiaana, hän ilmoittautui upseerien koulutukseen, joka sijaitsi Plattsburghissa, New Yorkissa. Vuonna 1918 Neilson osallistui toiseen Marnen taisteluun
, jonka aikana hänen komentajansa kuoli. Taistelun aikana hän haavoittui, mutta otti silti johdon sotilaistovereistaan ja suojeli heitä turvallisesti vuorokauden ajan. Hänellä oli luodinhaava vatsassa ja useita sirpalehaavoja. Hän vietti lopun sodan sairaalahoidossa ja sai myöhemmin Ranskan sotakreisin ja erinomaisen palvelun ristin.