Bei Beginn des Ersten Weltkrieges wurde Thomsen nach einem kurzen Einsatz bei der 8. Armee, mit der er an der Schlacht bei Tannenberg beteiligt war, als Generalstabsoffizier des Luftschiffes "Z V" (Kommandant Hauptmann Grüner) an der Ostfront eingesetzt. Am 22. August, dem Tag, an dem "Z V" bei einem Angriff auf den Bahnhof Mława in Russisch-Polen verloren ging, wurde er jedoch als Ia zum XXIV. Reserve-Korps abberufen. Mit diesem nahm er an den Kämpfen um Ypern sowie am „Winterfeldzug in den Karpathen“ 1914/15 teil. Am 27. März 1915 wurde er zum "Chef des Feldflugwesens" im Großen Hauptquartier berufen und der Obersten Heeresleitung zugeteilt. Am 10. August 1916 ließ er die ersten Jagdstaffeln nach den Vorschlägen von Oswald Boelcke aufstellen. Ab November 1916 diente er als Stabschef beim neuen Kommandierenden General der Luftstreitkräfte (Kogenluft), Ernst von Hoeppner; seine bisherige Dienststellung als Chef des Feldflugwesens wurde aufgelöst. Nachdem er beide Klassen des Eisernen Kreuzes und das Ritterkreuz des Königlichen Hausordens von Hohenzollern mit Schwertern erhalten hatte, wurde er am 8. April 1917 mit dem Orden Pour le Mérite ausgezeichnet sowie am 18. August 1918 zum Oberst befördert.