All'inizio dell'anno successivo divenne tenente generale nel servizio prussiano, e al comando del III Corpo (con Carl von Clausewitz come suo capo di stato maggiore) prese parte alla campagna di Waterloo. Dal campo di Ligny si ritirò con il resto dell'esercito di Blücher su Wavre, e quando l'altro corpo marciò verso Waterloo, von Thielmann difese questo movimento contro Grouchy, combattendo nella battaglia di Wavre
(1819 giugno 1815), contribuendo così materialmente alla vittoria di Waterloo.