Han deltok i første verdenskrig fra dens utbrudd i 1914, da han hadde grad av major. I det første slaget ved Ypres samme år var han kommandant for britenes 11. feltkompani. Da bruk av sennepsgass eskalerte i 1915, ble Foulkes overført til spesialtjeneste for gassvåpen. Der fikk han befatning også med fosgen- og klorgasser. Begge sider eksperimenterte med forskjellige gasstyper, angrepssystemer og former for gassmasker og annet beskyttelsesutstyr, og Foulkes ble sakkyndig for gassutviklingen. Et stort forsknings- og utviklingsanlegg ble opprettet i Porton Down på Salisbury Plain. I juni 1916, i slaget ved Somme, tok britene i bruk fosgengass. Uheldige omstendigheter førte til at 57 av Foulkes egne menn omkom i denne innsatsen. I 1917 fikk Foulkes kommando over en spesialbrigade og ble direktør for hærens Gas Services. I 1918 ble han formann for avdelingen for kjemisk krigføring.