1916 kehrte Arnold in den Dienst des Signal Corps zurück und wurde Nachschuboffizier der Flugschule in Rockwell Field, Kalifornien. Hier erneuerte er seine Fluglizenz und wurde in die Panamakanalzone geschickt, wo er eine Fliegerstaffel aufstellen sollte. 1917 wurde zum Major befördert. Nach dem Eintritt der Vereinigten Staaten in den Ersten Weltkrieg wurde Arnold nach Washington versetzt, wo er, zuletzt im temporären Rang eines Colonels (Oberst), mit Aufgaben in der Verwaltung betraut wurde. Zu seinen Aufgaben gehörte die Weiterentwicklung von Flugzeugen und Waffen. Er war unter anderem an der Entwicklung des Kettering Bug, einer frühen Vorform des Marschflugkörpers, beteiligt, den er 1918 dem Chef der American Expeditionary Forces, John J. Pershing, präsentieren sollte. Aufgehalten von der Spanischen Grippe, erreichte er Europa erst kurz vor dem Waffenstillstand von Compiègne (1918).