Hemingway ngừng làm phóng viên sau đó chỉ một vài tháng và, đi ngược lại mong muốn của cha mình, ông tình nguyện tham gia vào Quân đội Mỹ để chứng kiến những hoạt động trong Chiến tranh thế giới I. Ông không vượt qua được bài kiểm tra sức khỏe vì thị lực kém, vì thế ông chuyển sang gia nhập vào hàng ngũ quân y (Red Cross Ambulance Corps). Trên chặng đường tới mặt trận Italia, ông dừng lại ở Paris, nơi đang chịu những đợt ném bom liên tiếp từ phía không quân Đức. Thay vì ở một nơi tương đối an toàn tại khách sạn Florida, Hemingway cố gắng tiếp cận trận đánh nhất có thể.

Tiếp đó, sau khi tới Mặt trận Italia, Hemingway đã chứng kiến tận mắt sự tàn bạo của chiến tranh. Trong ngày đầu tiên ông làm nhiệm vụ, một xưởng đúc đạn dược gần Milan đã nổ tung. Hemingway phải thu nhặt thi hài của những người phụ nữ còn sót lại (human—primarily female—remains). Hemingway đã viết về trải nghiệm này trong một truyện ngắn của ông mang tên "A Natural History of the Dead"(tạm dịch: Một Câu Chuyện Có Thật về Cái Chết). Lần đầu tiên chạm trán với cái chết khiến cho ông run sợ.

Những người lính mà ông gặp sau đó cũng không làm dịu bớt nỗi kinh hoàng. Một người trong số họ, Eric Dorman-Smith, tiếp chuyện Hemingway với một câu lấy từ Hồi II, Cảnh III trong Phần 2 của vở kịch Henry IV của Shakespeare: "Bằng lòng trung thành của tôi, tôi không lo sợ gì cả; người ta có thể chết nhưng chỉ một lần duy nhất; chúng ta nợ Thượng đế một cái chết... và cứ để cho nó đến theo cách của nó, cái chết của anh chính là sự giải thoát cho kiếp sau." ("By my troth, I care not; a man can die but once; we owe God a death... and let it go which way it will, he that dies this year is quit for the next.") Burgess, 1978, p. 24. (Hemingway đã trích những dòng này cho riêng mình trong "Hạnh phúc ngắn ngủi của Francis Macomber" (tựa gốc: The Short Happy Life of Francis Macomber), một trong những truyện ngắn nổi tiếng nhất của ông được viết tại châu Phi.) Với một người một người lính khác, Hemingway có lần nói, "Ông thật troppo vecchio (Tiếng Italia: quá già) để tham chiến" (gốc: "You are troppo vecchio for this war, pop."). Người lính 50 tuổi đã đáp lại, "Tôi có thể chết giống như bất kỳ người đàn ông nào." ("I can die as well as any man").

Vào ngày 8 tháng 7 năm 1918, Hemingway bị thương trong khi vận chuyển quân nhu, và nó đã khiến ông phải dừng công việc lái xe cứu thương của mình. Mặc dù sự việc ông bị thương từng có nhiều nghi vấn, nhưng hiện tại có thể khẳng định rằng ông đã bị trúng đạn súng cối của quân Áo, làm cho ông bị thương nặng ở chân, và ông cũng bị trúng cả đạn súng máy nữa. Tình trạng đầu gối của ông rất tồi tệ, và, nằm trong số những điều đặc biệt khác thường của biến cố này, ông đã tự cầm máu bằng cách đặt thuốc nhồi và giấy cuốn từ những mẩu thuốc lá vào những vết thương. Sau đó ông được trao tặng Silver Medal of Military Valor (tạm dịch: Huân chương Bạc cho Lòng dũng cảm trong Chiến đấu) (Tiếng Italia: medaglia d'argento) từ chính phủ Italia vì đã đưa người lính Ý bị thương tới vùng an toàn bất chấp những vết thương của mình. Ông được báo chí thời bấy giờ công nhận là người Mỹ đầu tiên bị thương tại Italia trong Thế chiến I nhưng có tranh cãi xung quanh tính chính xác của khẳng định này.“John F. Kennedy Presidential Library Online Resources: Ernest Hemingway: A Storyteller's Legacy”. 

Hemingway được điều trị trong một bệnh viện tại Milan được tài trợ bởi Hội Chữ Thập Đỏ Hoa Kỳ. Bởi thiếu những trò tiêu khiển, ông thường xuyên uống rượu mạnh và đọc báo để giết thời gian. Ở đây ông đã gặp Agnes von Kurowsky tới từ Washington, D.C., một trong số mười tám y tá (mỗi người chăm sóc một nhóm bốn bệnh nhân), nhiều hơn ông sáu tuổi. Hemingway đã yêu cô, nhưng quan hệ của họ chẳng thể tiếp tục do ông đã trở lại Mỹ; thay vì quay trở về cùng ông như dự định ban đầu, cô này đã có cảm tình với một sĩ quan Italia. Điều này trở thành một dấu ấn không thể phai nhòa trong tâm trí ông và tạo cho ông những cảm hứng. Câu chuyện này đã được hư cấu trong một trong những cuốn tiểu thuyết đầu tiên của ông, Giã từ vũ khí. Truyện ngắn đầu tiên của Hemingway dựa theo mối quan hệ này là "A Very Short Story," (tạm dịch: Một Truyện Cực Ngắn) ra mắt năm 1925.