I wojna światowa Leigh-Mallory zgłosił się na ochotnika do batalionu sił terytorialnych Królewskiego Pułku Liverpoolskiego jako szeregowiecAir of Authority – A History of RAF Organisation – Air Chief Marshal Sir Trafford Leigh-Mallory.. Został powołany na stanowisko podporucznika 3 października 1914 r. i przeniesiony do pułku Lancashire Fusiliers, choć szkolenie oficerskie zatrzymało go w Anglii, kiedy jego batalion wszedł już na pokład statku płynącego do Francji. Wiosną 1915 r. został wysłany na front wraz z pułkiem South Lancashire i został ranny podczas ataku w II bitwie pod Ypres. 21 czerwca 1915 r. otrzymał awans na porucznika.
Po wyleczeniu z ran, w styczniu 1916 r. Leigh-Mallory dołączył do Królewskiego Korpusu Powietrznego i został przyjęty na szkolenie dla pilotów. 7 lipca 1916 r. wysłano go, jako porucznika lotnictwa do 7. dywizjonu, wraz z którym latał podczas operacji bojowych, obejmujących bombardowania, rozpoznanie i operacje fotograficzne podczas bitwy nad Sommą.
Następnie przeniesiono go do 5 Eskadry w lipcu 1916 r., po czym wrócił do Anglii. Został awansowany na kapitana stanu wojny 2 listopada 1916 r.