Als im Juli 1870 der Deutsch-Französische Krieg ausbrach, meldete sich Thalheim freiwillig zum Kriegsdienst. Er nahm an den Schlachten bei Weißenburg und Wörth teil und wurde zum Leutnant der Reserve befördert. Nach der Belagerung von Paris wohnte er am 18. Januar 1871 der Kaiserproklamation im Spiegelsaal des Schlosses von Versailles bei und wurde wenige Tage später mit einigen anderen Offizieren dem Kaiser Wilhelm I. vorgestellt.