Pärast ülikooli lõpetamist astus Rei vabatahtlikult ajateenijana sõjaväkke, sest vabatahtlik sai vabalt valida väeliigi ja teenistuskoha. Rei valis väeliigiks suurtükiväe ning alustas teenistust Soomes Turu linnas 1. oktoobril 1912. Kõrgema õppeasutuse lõpetanutele oli ajateenistus ettenähtud ohvitserikursusena. Teenistuse esimene poolaasta oli raske. Lisaks suurtükkide käsitlemisele tuli selgeks õppida hobustega ümberkäimine, sest kõik veod ja sõidud suurtükiväes tehti sel ajal veel hobustega. Samuti tuli tulevasel ohvitseril õppida ratsutama. Lisaks oli ohvitserikursuse kavas gümnastika, mis Reile meeldis, kuna ta oli seda iseseisvalt kooliajal harrastanud. Õppused kestsid ligi 12 tundi päevas.

1913. aasta suvel sooritas Rei edukalt lipniku eksami ning arvati seejärel reservi. Peale ajateenistuse läbimist sai Rei veidi vähem kui aasta Viljandis tegutseda advokaadina, siis kutsuti ta 1914. aasta suvel uuesti väeteenistusse. Algamas oli I maailmasõda.

1914. aasta suvel ei teadnud Eestis keegi veel, et alanud sõda on murrangulise tähtsusega ka Eesti rahvale. Sõja algul tõusid Venemaal ja Eestis haripunkti saksavastased meeleolud, enamik eestlasi nägi Saksamaas suurt ohtu. Kardeti, et Saksamaa võidu korral liidetakse Eesti uuesti Saksamaaga ja baltisaksa mõisnikud saavad taas võimule. Seetõttu läksid eestlased tsaarivalitsuse poolt välja kuulutatud mobilisatsiooniga kaasa ning 1914. aasta jooksul mobiliseeriti Eestist sõjaväeteenistusse üle 35 000 mehe. Kogu sõja vältel võeti Eesti alalt Vene väkke aga umbes 80 000 meest (nendest 2000 ohvitseri), mis oli ka maksimaalne mobilisatsioonivaru, mida oli Eestist võimalik üldse sõjaväkke kutsuda.

Peale mobiliseerimist augusti algul, oli lipnik Rei esimeseks ülesandeks Venemaal Luuga lähistel maakaitseväelastele sõjalise algõppe andmine. Enamik seal olnud meestest ei olnud kunagi sõjaväes teeninud. Alles novembris 1914 suunati Rei oma väljaõppele vastavale ametikohale Peterburi kindlustatud rajooni suurtükiväkke välipatarei komandöriks. Alanud sõjas oli see teenistuskoht esialgu kauge tagala ning pärast esmast kohanemist uue olukorraga hakkas Rei taas tegelema eneseharimisega. Kui kõrgem matemaatika oli Reile ka varem huvi pakkunud, siis nüüd süvenes ta enesele üllatuslikult suurtüki laskeasjanduse, ballistika teooriasse.

1915. aasta algul läbis suurtükiväelane Rei õhutõrjekursused. Õhutõrje oli toona päris algeline, spetsiaalsed õhutõrjerelvad puudusid. Lennuki või dirižaabli tulistamine pidi toimuma tavalisest välikahurist, mis oli kinnitatud veidi kõrgemale ringlevale alusele, mis võimaldas suurtüki toru otsa tõsta kuni 45 kraadi ülespoole. Sellise seadeldisega oli lennuki tabamine väga küsitav. Pärast väljaõpet sai lipnik Reist Peterburi kindluse õhukaitsepatarei nr 3 komandör. Tema patarei asus Peterburist loodes Sestroretski suvitusasulas ühe sõjatehase lähedal.

Veel enne tsaarivalitsuse kukkumist jõudis Põhjarinde vägede ülemjuhataja kindral Nikolai Russki 27. veebruaril 1917. aastal omistada lipnik August Reile hea teenistuse eest Püha Anna 3. järgu ordeni. Mõned päevad hiljem võttis sama kindral Pihkva raudteejaamas tsaar Nikolai II vastu troonist loobumise akti. Ei ole teada, et Rei oleks selle ordeni saamist kunagi afišeerinud.

1917. aasta mais saadeti Rei poolt juhitud õhukaitsepatarei Lätis Jekapilsi ja Kruspilsi lähistel asunud rindejoonele, kus paiknes Vene armee 28. korpus. Daugava jõe joonel olnud rinne oli sellel perioodil suhteliselt vaikne ja Saksa lennuväe tegevus harv. Mõnel korral tuli Rei patareil siiski Saksa lennumasinate pihta tuld anda.

Samal ajal olid ka Eestis arenenud tormilised sündmused, millest Rei oli seni väeteenistuse tõttu kõrvale jäänud. Eesti ala oli kokku liidetud üheks rahvuskubermanguks ning päevakorral olid Eesti autonoomia küsimused. Poliitiline elu kees, Rei varasemad sõbrad ja võitluskaaslased olid taas ellu kutsumas Eesti Sotsiaaldemokraatliku Parteid. Noor sotsiaaldemokraadist ohvitser igatses sellele kõiges kaasa lüüa. Kuna Eestis oli käimas rahvusväeosade moodustamine ning selleks oli Tallinnas kokku kutsutud Eesti sõjaväelaste kongress, avanes nüüd Reile võimalus kodumaale tagasitulekuks. Rei volitati 28. korpuse Eesti sõdurite poolt 1917. a juunis Eesti sõjaväelaste kongressi delegaadiks.