Tidligt det følgende år blev han generalløjtnant i den preussiske tjeneste, og som kommandoen over III Korps (med Carl von Clausewitz som stabschef) deltog han i Waterloo-kampagnen. Fra feltet ved Ligny trak han sig tilbage med resten af Blüchers hær på Wavre, og da det andet korps marcherede mod Waterloo, forsvarede von Thielmann denne bevægelse mod Grouchy og kæmpede i Slaget ved Wavre
(1819 juni 1815), og bidrog således materielt til sejren ved Waterloo.