In der Anfangsphase des Ersten Weltkriegs kämpfte sein Regiment zunächst bei den Grenzschlachten in Lothringen. Das 8. Infanterie-Regiment war im August 1914 Teil der 8. Infanterie-Brigade unter Generalmajor Riedl und bildete einen Teil der 33. Reserve-Division, welche im Raum Metz als Reserve lag. Für seine außerordentlichen Verdienste wurde Kleinhenz am 5. Mai 1915 mit dem Ritterkreuz des Militär-Max-Joseph-Ordens beliehen und durfte sich aufgrund der damit verbundenen Erhebung in den persönlichen Adel ab diesem Zeitpunkt „Ritter von Kleinhenz“ nennen. Am 28. September 1916 wurde Kleinhenz von seinem Kommando abgelöst, übernahm eine Reserve-Brigade und kämpfte in Siebenbürgen und Rumänien. Dort erhielt er am 17. Januar 1917 die Beförderung zum Generalmajor. Vom 8. Februar 1917 bis zum 8. April 1918 befehligte er im Rahmen des Alpenkorps die 1. Königlich Bayerische Jäger-Brigade. Anschließend war er zwischen 9. April und 28. Mai 1918 Kommandeur der 200. Infanterie-Division und am 29. Mai 1918 übernahm er die Führung der 14. Infanterie-Division.