Κατά τον εμφύλιο πόλεμο ο Θεμελής πολέμησε και συνέχισε την καριέρα του στην Πολεμική Αεροπορία (τότε "Ελληνική Βασιλική Αεροπορία"), από την οποία τελικά αποστρατεύθηκε με το βαθμό του υποπτέραρχου.