Under Første Verdenskrig tjente Neilson som løjtnant i infanteriet i den amerikanske hær. I 1917, i en alder af 41, meldte han sig til officerer uddannelse, der ligger i Plattsburgh, New York. I 1918 deltog Neilson i det andet slag ved Marne
, hvor hans kommanderende officer blev dræbt. Under slaget blev han såret, men tog stadig kommandoen over sine medsoldater og forankrede dem i sikkerhed i 24 timer. Han blev skudt i maven og ramt af flere granatsprængninger. Han tilbragte resten af krigen på hospitalet og blev senere tildelt det franske krigskors og Distinguished Service Cross.