Podczas służby w SS-Grenzsicherungs-Baukommando zdobył sobie uznanie przełożonych, dzięki czemu skierowano go do pracy w Centralnym Zarządzie Budowlanym SS i Policji w Lublinie. Jego biuro mieściło się w Zamościu. Po wybuchu wojny niemiecko-sowieckiej, w związku z mianowaniem Globocnika na stanowisko „pełnomocnika Reichsführera-SS ds. utworzenia baz policji i SS na nowym obszarze wschodnim”, został skierowany na okupowane tereny ZSRR. Zajmował się budową „punktów oparcia SS” w Kijowie, Nowogrodzie Wołyńskim i Starokonstantynowie.
Akcja „Reinhardt” Jesienią 1941 roku władze niemieckie rozpoczęły przygotowania do masowej eksterminacji polskich Żydów. Pierwszy ośrodek zagłady w Generalnym Gubernatorstwie powstał nieopodal wsi Bełżec. Niewykluczone, że autorem jego planów architektonicznych był Thomalla. Najprawdopodobniej to jemu powierzono także nadzór nad pierwszą fazą prac budowlanych. Do Bełżca miał przybyć pod koniec października 1941 roku i przebywać tam przez blisko miesiąc. W tym czasie w Bełżcu nie było jeszcze żydowskich więźniów, a wszystkie prace były wykonywane przez polskich robotników oraz wschodnioeuropejskich kolaborantów z obozu SS w Trawnikach.