Zu Beginn des Ersten Weltkriegs kämpfte Thoma mit dem 3. Infanterie-Regiment in Lothringen, vor Nancy-Épinal sowie an der Somme. 1915 machte er an der Ostfront (sein Regiment gehörte mittlerweile zur neugebildeten 11. bayerischen Infanterie-Division) die Schlacht bei Gorlice-Tarnów, den Übergang über den San, die Kämpfe bei Przemyśl sowie die Durchbruchsschlacht bei Lemberg mit. Nach der Einnahme von Brest-Litowsk und dem Feldzug in Serbien nahm Thoma 1916 an der Schlacht um Verdun teil und kehrte nach dem Beginn der russischen Brussilow-Offensive an die Ostfront zurück. Dort konnte Thoma bei Ugly-Kopryle einen geräumten österreichischen Befehlsstand gegen einen Vorstoss im Nahkampf halten und somit einen russischen Durchbruchsversuch verhindern. Dafür wurde er am 5. Juli 1916 mit dem Ritterkreuz des Militär-Max-Joseph-Ordens beliehen. Damit verbunden war die Erhebung in den persönlichen Adelstand. Nach der Eintragung in die Adelsmatrikel durfte er sich „Ritter von Thoma“ nennen. Am 14. Dezember 1917 wurde er zum Oberleutnant befördert. Bei der alliierten Gegenoffensive an der Marne geriet von Thoma am 18. Juli 1918 als Führer des I. Bataillons des 3. Infanterie-Regiments in US-amerikanische Kriegsgefangenschaft, aus der er im September 1919 entlassen wurde. Für seine Leistungen während des Krieges war Thoma auch mit beiden Klassen des Eisernen Kreuzes, dem Militärverdienstorden IV. Klasse mit Schwertern und dem Österreichischen Militärverdienstkreuz III. Klasse mit Kriegsdekoration sowie dem Verwundetenabzeichen in Silber ausgezeichnet worden.