Незадолго до войны в чине унтер-офицера войск связи Освальд Бельке поступил в 3-й телеграфный батальон, расквартированный в Кобленце. Проявив интерес к авиации во время манёвров, он, пройдя соответствующую подготовку (получил квалификацию лётчика 15 августа 1914 года), стал сначала наблюдателем, а затем и пилотом двухместного разведчика. В начале войны он летал в авиационной части FA 13 во Франции со своим братом Вильгельмом, который был его наблюдателем. В октябре 1914 года Освальд был награждён Железным крестом 2-го класса, а в феврале 1915 года — Железным крестом 1-го класса. После перевода в авиационную часть FA 62 Бёльке одержал свою первую воздушную победу 4 июля, летая на LVG С.1, — вражеский «моран» обстрелял и сбил его наблюдатель лейтенант Хайнц фон Вюлиш.
Затем Бёльке стал летать на одноместном Fokker ЕЛ, первую победу на котором одержал 19 августа 1915 года. В марте 1916 года, имея уже 6 побед, он пересел на новый моноплан Fokker E.IV и одержал ещё несколько воздушных побед. После гибели в бою Иммельмана в июне 1916 года Бёльке был отозван с фронта и отправлен в инспекционную поездку на юго-восток, проходившую через Вену, Будапешт, Белград и заканчивавшуюся в Турции. Во время этой поездки он написал наставление о способах ведения воздушного боя и методике организации истребительных авиачастей.
Когда в июле 1916 года началось сражение на Сомме, он был оперативно возвращён во Францию и получил под свое командование истребительную эскадрилью Jasta 2, имея при этом возможность самостоятельно отбирать пилотов. Среди отобранных им лётчиков были Манфред фон Рихтгофен. К концу октября 1916 года Бёльке имел уже 40 побед.
28 октября 1916 года состоялся его последний бой. Его сопровождали пять пилотов, среди которых были Манфред фон Рихтгофен и Эрвин Бёме. Вшестером они атаковали два английских одноместных истребителя Airco DH.2 из 24-й эскадрильи британских Королевских ВВС. Перед атакой Бельке неправильно пристегнул свой ремень. Во время боя Бёме и Бёльке не заметили друг друга, атакуя одну цель, и столкнулись — Бёме зацепил колёсами верхнее крыло самолёта Бёльке, который сразу же стал снижаться и пропал в облаках. Верхнее крыло оторвалось, но Бёльке удалось относительно удачно посадить свой Albatros D.II. И хотя удар об землю был не очень сильным, неправильно пристёгнутый ремень и то, что Бёльке никогда не надевал шлем перед полётом, стали причиной его гибели. Основоположник тактики воздушного боя погиб в возрасте 25 лет. Вечером в день его гибели на аэродром Первого истребительного соединения английский самолёт сбросил вымпел с надписью: «В память о капитане Бёльке, нашем мужественном и благородном сопернике, от британских Королевских воздушных сило.
Освальд Бёльке был торжественно похоронен на кладбище Эренфридхоф в Дессау. После его гибели Jasta 2 была переименована в Jasta Boelcke.
Бёльке тщательно обучал своих лётчиков взаимодействию, прежде чем допустить их к боевым полётам. Он понял, что истребители должны действовать группами, и был первым, кто изучал самолёты противника, используя экземпляры, захваченные в лётном состоянии. В «Dicta Boelcke» («Так говорил Бельке») он выделил восемь основных правил воздушного боя:
1. Старайтесь начинать атаку сверху. По возможности солнце нужно держать у себя за спиной.
2. Начав атаку, не прекращайте её.
3. Стреляйте только с короткого расстояния, когда противник уже пойман в прицел.
4. Не теряйте противника из поля зрения и не поддавайтесь на уловки.
5. Какую бы атаку вы не предпринимали, старайтесь зайти противнику в хвост.
6. Если вас атакуют сверху — не пытайтесь увернуться, а идите в лобовую атаку.
7. В полёте над вражеской территорией не забывайте, в какую сторону отходить.
8. Эскадрильям: лучше всего атаковать группами по четыре или шесть самолётов. Если группа распадается, старайтесь избегать ситуаций, когда несколько человек летят за одним самолетом.
Замечу, что сам Бёльке стал жертвой как раз тогда, когда он и его подчиненные нарушили восьмое правило.