Neilson teenis Esimese maailmasõja ajal Ameerika Ühendriikide armee jalaväes leitnandina. 1917. aastal, 41-aastaselt, kandideeris ta New Yorgi osariigis Plattsburghis toimunud ohvitseride koolitusele. Neilson osales 1918. aastal teises Marne'i lahingus
, mille käigus tema komandör sai surma. Ta sai lahingus haavata, kuid võttis siiski oma kaassõdurite juhtimise enda kätte ja hoidis neid 24 tundi turvaliselt. Ta sai kuulihaava kõhus ja mitmeid šrapnelhaavu. Ta veetis sõja ülejäänud osa haiglas ja sai hiljem Prantsuse sõjakreisi ja erilise teenistuse risti.