We wrześniu 1939 roku w szeregach jednej z Einsatzgruppen uczestniczył w kampanii przeciwko Polsce. Po jej zakończeniu został przydzielony do niemieckiego aparatu okupacyjnego. Przez pewien czas sprawował funkcje kierownicze w strukturach Selbstschutzu. 10 grudnia 1939 roku został mianowany doradcą do spraw wykorzystania żydowskiej siły roboczej w Radomiu. Pod koniec sierpnia 1940 roku otrzymał przeniesienie do dystryktu lubelskiego. Podjął tam służbę w utworzonej przez SS-Brigadeführera Odilo Globocnika „komórce umocnień granicznych” ("SS-Grenzsicherungs-Baukommando"). Jednostka ta przy wykorzystaniu przymusowej pracy Żydów prowadziła budowę fortyfikacji na ówczesnej granicy niemiecko-sowieckiej (na odcinku biegnącym przez tereny powiatów biłgorajskiego i zamojskiego). Do 21 października 1940 roku Thomalla kwaterował we wsi Bełżec, gdzie znajdowała się siedziba „komórki umocnień granicznych”, a zarazem największy z podległych jej obozów pracy.