В начале Первой мировой войны Холдейн вступил в шотландский полк «Черная стража». Получив звание лейтенанта, он принял командование минометным взводом. Первые экспериментальные минометы представляли собой просто-напросто начиненные взрывчаткой трубки, предназначенные для того, чтобы изматывать врага непрерывной бомбардировкой. Они вели себя совершенно непредсказуемо и согласно официальным отчетам были «почти одинаково опасны для врага и для тех, кто их использовал». Холдейн хорошо себя чувствовал в этом рискованном деле, подстрекая людей курить в непосредственной близости от орудий. Впоследствии он вспоминал, что «считал важным, чтобы люди были полностью уверены в себе и своем оружии».
В боях Холдейн отличался невероятной смелостью, порой граничившей с безумием. Ночью, во время затишья, он выползал на территорию между окопами воюющих сторон в надежде подслушать разговоры вражеских солдат. В письмах домой он сравнивал боевое возбуждение с тем состоянием, которое переживал раньше, спускаясь с отцом в угольные шахты, когда малейшая оплошность могла закончиться катастрофой. Командующий британскими экспедиционными войсками во Франции сэр Дуглас Хейг называл Холдейна «самым храбрым и самым вульгарным офицером в армии».
После ранения Холдейн отправился в Ирак на войну с Турцией, принявшей сторону Германии. Вернувшись в Великобританию в 1919 г. после окончания войны, он не имел таких глубоких психологических проблем, как миллионы других солдат. Холдейн говорил, что получал удовольствие от войны, почти «любил ее». Он связал этот факт с особенностями первых людей, для которых побуждение убивать было эволюционным преимуществом. Однако потом, осознав ужасы войны со стороны, а не в качестве участника, он стал стыдиться своего «позитивного» военного опыта. В конце жизни он соглашался с Ганди и склонялся к идее о недопустимости насилия.
После войны Холдейну предложили должность профессора Оксфорда по любой выбранной им специальности, хотя он так и не получил никакой ученой степени. Холдейн выбрал физиологию. Позднее он перешел на работу в Тринити-колледж в Кембридже, где встретил молодую еврейскую журналистку из Daily Express, социалистку и феминистку Шарлотту Бергес и женился на ней. В 1929 г. они побывали в СССР по приглашению русского ботаника, президента Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ) Николая Ивановича Вавилова. Холдейн заинтересовался жизнью молодой страны Советов и в последующие годы склонялся к коммунистическому мировоззрению, особенно после расцвета фашизма и гражданской войны в Испании.
