Tammikuussa 1915, päivää ennen kuin hänet kutsuttiin palvelukseen ensimmäisessä maailmansodassa, hän meni naimisiin Rosa Kochin kanssa. Hänet lähetettiin tykistöön länsirintamalle, jossa hän pysyi sodan loppuun saakka. Hän osallistui Champagnen taisteluun.
(1915-1916), Sommen taistelu (1916), Arrasin taistelu (1917), Aisnen toinen taistelu (1917), Cambrain taistelu (1917) (1917) ja Soissonsin taistelu (1918). Palvelustaan Thälmann sai toisen luokan Rautasiirtan, Hansan ristin ja haavan tunnuksen (kaksi kertaa).