С началом Первой мировой войны он, как большинство его сверстников, оставив учебу, немедленно записался добровольцем в армию. Узнав о формировании первых авиационных подразделений, он подал рапорт о направлении в «воздушную службу». 12 ноября 1914 года был направлен на летную подготовку в Иоханнисталь (в Берлине), затем в расположенный поблизости Адлерсхоф. 31 января 1915 года состоялся его первый самостоятельный полет, а уже через 2 месяца аккуратному и точному Иммельману присвоили звание пилота 3-го (высшего) класса.
В марте 1915 года он отбыл на Западный фронт, где был определен в FFA 62, летавшую на двухместных разведчиках LVG B. 1. С наблюдателем, унтер-лейтенантом Тьюберном, летал на разведку вражеских позиций, отмечая цели для германской дальнобойной артиллерии.
3 июня 1915 года аэроплан Иммельмана был сбит французским летчиком, но Макс сумел приземлить свою машину позади немецкой линии обороны. Первый опыт воздушного боя оказался для будущего аса № 1 отрицательным. Но за сохранение аппарата Иммельман был награжден Железным крестом 2-го класса.
В июле он был определен в отделение истребителей «Fokker Eindekker» (впоследствии ставшее КЕК Douai) и вместе с другим пилотом, Освальдом Бельке, выполнял в его составе эскортные и истребительные задания.
Теории и практики воздушного боя еще не существовало. Поэтому без какой-либо специальной подготовки группу сразу отправили на фронт. Бельке и Иммельман вскоре зарекомендовали себя как блестящие пилоты-истребители, и благодаря их успехам на раннем этапе воздушной войны имена обоих летчиков стали известны всей Германии.
1 августа 1915 года Иммельман сбил на своем «Фоккере» первый вражеский самолет, а 26 октября 1915 года, одержав 5-ю победу, выражаясь современным языком, стал асом (сам термин появился позднее). Среди первых пяти сбитых Иммельманом аэропланов — три английских двухместных биплана BE 2c, один неопознанный французский биплан, один FB 5. Таким образом, 26 октября 1915 года Макс Иммельман стал первым летчиком, кто с одноместного аэроплана сбил 5 неприятельских машин.
Соратник и товарищ Иммельмана Освальд Бельке 5-ю официальную победу одержал 15 октября, но своего первого сбитого он низверг с небес 4 июля 1915 года, в вылете на двухместном LVG CI, когда по неприятелю стрелял наблюдатель Бельке — Ханс де Вюлиш. А вот 5-ю победу лично Бельке одержал 30 октября 1915 года, через три дня после Иммельмана. Также и Адольф Пегу формально стал асом намного раньше, но три свои первые победы он одержал на двухместном аэроплане.
К концу года он сбил еще BE 2c и «Моран-Парасоль» и его счет вырос до 7 побед, а сам он — до звания обер-лейтенанта.
12 января 1916 года, после 8-й победы, из рук кайзера Вильгельма II Макс Иммельман получил самый желанный в среде немецких офицеров орден «Pour le Merite» (вторым среди немецких летчиков), добавившийся к его Железному кресту 1-го класса, полученному в октябре предыдущего года, и Рыцарскому кресту ордена Дома Гогенцоллернов, пожалованного ему в ноябре 1915 года.
Макс Иммельман заложил основы тактики воздушного боя. Он придавал особое значение факторам высотности и скороподъемности истребителя, что необходимо для активного наступательного ведения боя. О том, что касается искусства ведения воздушного боя, сам Иммельман говорил: «Я безоружен, пока я ниже». Неоднократно он подчеркивал важность тщательной маскировки в воздухе.
Иммельман воевал на «Фоккере» Е. III и Е. IV. Он освоил и выполнил практически все известные сегодня фигуры высшего пилотажа. Именно на этом «Фоккере» он обессмертил свое имя, проделав названный впоследствии в его честь боевой разворот — полубочку в верхней части полу-петли. Макс Иммельман был столь знаменит по обе стороны фронта, что через 10 минут после его появления в воздухе небо становилось свободным от английских самолетов. Он одним из первых стал использовать тактику внезапности, заходя со стороны солнца. Как большинство настоящих асов, Иммельман был первоклассным стрелком. 13 марта 1916 года Иммельман довел свой счет до 10. Сбитый 16 мая над Лиллем английский разведчик стал его 15-й и последней официальной победой. Две последние неподтвержденные победы были одержаны Иммельманом 18 июня 1916 года. Всего на счету Иммельмана 5 неподтвержденных побед.
По характеру это был непьющий и некурящий, ровный со всеми человек, ежедневно писавший письма матери и очень внимательно относившийся к своему обожаемому догу Тирасу.
Первый ас Германии погиб 18 июня 1916 года в бою против истребителей FE 2b. Споры о его смерти продолжаются до сих пор. Англичане смело отдают победу над «Фоккером», пилотируемым Иммельманом, капитану Г. Р. МакКуббину (G. R. McCubbin) и его стрелку капралу Дж. Х. Уоллеру (J. H. Waller). Немецкие историки считают причиной гибели аса отказ механизма синхронизации вращения винта и темпа стрельбы пулемета, приведший к тому, что Иммельман отстрелил лопасть пропеллера собственного истребителя. Вращение несбалансированного винта привело к нарастающей вибрации, вибрация — к резонансу, резонанс — к разрушению планера.