В июле 1916 года Н. С. Фомин был зачислен в Русскую императорскую армию на правах вольноопределяющегося. В феврале 1917 года окончил Константиновское артиллерийское училище, произведён в прапорщики 15 февраля 1917 года (со старшинством в чине от 1 ноября 1916 года). С февраля 1917 года служил в 1-м запасном артиллерийском дивизионе. Принимал участие в Первой мировой войне на Кавказском фронте в составе 9-го легкого мортирного артиллерийского дивизиона. При расформировании дивизиона в феврале 1918 года демобилизован.