W połowie 1915 złożył wniosek o przeniesienie z kawalerii do służby w lotnictwie. W sierpniu 1915 roku został przyjęty do szkoły lotniczej w Kolonii, która podlegała pod Fliegerersatz Abteilung Nr 7. W jednostce szkoleniowej okazało się, że Voss był niezwykle pojętnym uczniem. Bardzo szybko nauczył się szkoły pilotażu, a przełożeni widząc jego wrodzony talent, skierowali go na instruktora i wkrótce rozpoczął szkolenie nowych pilotów. W lutym 1916 roku otrzymał skierowanie na front zachodni i 2 marca 1916, jako sierżant sztabowy, rozpoczął służbę w Kampfstaffel 4 (Eskadra Bojowa 4), a w maju 1916 został przeniesiony do Kampfstaffel 20 (Eskadra Bojowa 20). Doświadczenie lotnicze zyskał jako obserwator na maszynach dwumiejscowych w misjach rozpoznawczych i bombowych nad terytorium wroga. W maju 1916 otrzymał odznakę pilota, a we wrześniu 1916 został podporucznikiem. W listopadzie 1916 Voss dostał przydział do jednostki myśliwskiej Jagdstaffel 2, którą dowodził Oswald Boelcke, as myśliwski.