Na początku I wojny światowej Wallis i Pratt wstąpili do Armii Brytyjskiej. W 1915 rząd brytyjski postanowił budować flotę sterowców. Pratt i Wallis zostali odwołani ze służby liniowej i awansowani ze stopni kaprali na podporuczników Royal Navy. Wallis opracował projekt nowego typu masztu do cumowania sterowców. Projektował też sterowiec R80 (oblot w 1920). W 1921, gdy rząd zarzucił rozwijanie sterowców, Wallis wziął dłuższy urlop aby uzupełnić wykształcenie. W 1922 uzyskał stopień inżynierski na Uniwersytecie Londyńskim (zaocznie). Rozważał podjęcie pracy jako nauczyciel, ale bogaty konstruktor-wynalazca Dennistoun Burney zaproponował mu pracę przy budowie sterowca dalekiego zasięgu. Wallis zgodził się, pod warunkiem, że będzie kierował pracami.
Wynikiem jego pracy był sterowiec R100, który rozpoczął loty w 1930. Był to jednak koniec epoki sterowców (przypieczętowany katastrofą R101). Wallis został przeniesiony do pracy nad samolotami. Opracował konstrukcję bombowca Vickers Wellesley (oblatany w 1935). W czasie wojny kontynuował prace nad samolotami i uzbrojeniem. Najbardziej znanym jego osiągnięciem jest konstrukcja bomb skaczących, użytych w operacji Chastise – bombardowaniu zapór w Zagłębiu Ruhry 16/17 maja 1943.