Jego edukacja została przerwana przez wybuch I wojny światowej, w trakcie której brał udział po stronie Armii Austro-Węgier w ramach formowanych Legionów Polskich. Najpierw służył w szeregach Legionu Wschodniego, a po jego likwidacji we wrześniu 1914, został żołnierzem sformowanego 3 pułku piechoty i został przydzielony do 12 kompanii II batalionu, zaś od końca tego miesiąca wraz z jednostką brał udział w działaniach wojennych przeciw Rosjanom w rejonie przełęczy karpackich. 29 października 1914 uczestniczył w bitwie pod Mołotkowem; następnie jego pułk wcielono do powstałej II Brygady Legionów Polskich. Na początku 1915 pułk rozformowano, a w kwietniu 1915 Lenczowski awansowany na stopień sierżanta, został dowódcą plutonu w 12 kompanii II batalionu 3 pułku piechoty został skierowany ponownie do walk w rejonie karpackim na front bukowińsko-besarabski. Tam brał udział m.in. w bitwie pod Rarańczą, a potem w działaniach wojennych na Wołyniu. Podczas bitwy pod Kostiuchnówką w lipcu 1916 Lenczowski wykazał się wybitnym bohaterstwem i odwagą, gdy 6 lipca, po otoczeniu jego oddziału, wraz z ok. 30 żołnierzami przerwał okrążenie rosyjskie. Za swój czyn otrzymał krzyż Virtuti Militari. Później od września do listopada 1916 jego pułk przebywał wraz z Legionami w Baranowiczach. II Brygada złożyła przysięgę, a jej żołnierze weszli w skład utworzonego Polskiego Korpusu Posiłkowego. Karol Lenczowski został awansowany do stopnia podporucznika i wraz z oddziałem został skierowany znów do Karpat Wschodnich. W nocy 15/16 lutego 1918, w proteście przeciwko podpisaniu pokoju brzeskiego część żołnierzy, głównie z II Brygady pod dowództwem Hallera przebiła się przez front austriacko-rosyjski pod Rarańczą i 6 marca połączyła się z II Korpusem Polskim w Rosji. W jego szeregach Lenczowski na stanowisku dowódcy kompanii w 15 pułku strzelców, 11 maja 1918 brał udział w bitwie pod Kaniowem przeciwko Niemcom, po czym został wzięty do niewoli i uwięziony na terenie Meklemburgii.