У січні 1916 року після одужання від поранень, Лі-Меллорі запросився до Королівського льотного корпусу та був прийнятий на курси підготовки пілотів. 7 липня 1916 року, закінчивши навчання, йому присвоєно звання лейтенанта військової авіації та призначено до 7-ї ескадрильї. Діяв на фронті, виконував завдання з бомбардування, повітряної розвідки та фотографування позицій противника. Брав участь у битві на Соммі.