בעקבות זרם הפצועים שהחל למלא את העיר לאחר קרב בול ראן הראשון שנערך ב-21 ביולי 1861 ושהסתיים בתבוסת האיחוד, נאלצה ברטון לתור אחר מקורות אספקה נוספים עבור החיילים, ביניהם ועדת הסיוע לנשים של ווסטרסטר ששיתפה פעולה באספקת הציוד, אריזתו ומיונו.
מות אביה.
בתחילת שנת 1862 שבה קלרה ברטון לביתה על מנת לסעוד את אביה שהיה על ערש דווי. לפני מותו, בעת ששכב על מיטת חוליו, הוא הספיק לעודד אותה להמשיך בתמיכתה הפטריוטית באיחוד. ב-21 במרץ 1862 נפטר קפטן סטיבן ברטון בצפון אוקספורד שבמסצ'וסטס.
הגעתה לחזית.
ברטון שבה בקיץ לוושינגטון והייתה נחושה בדעתה להגיע לשדה הקרב, ששם, כך סברה, היו זקוקים לה יותר. את תחושותיה תיארה במילים הבאות: "אני עלולה להיאלץ לעמוד בפני סכנה, אבל אף פעם לא אפחד ממנה. בעוד שחיילינו יכולים לעמוד ולהילחם, יכולה אף אני להאכילם ולסעוד אותם" ברטון דחקה במנהיגי הממשלה והצבא לאפשר לה להגיע עם אספקה רפואית לפצועים בשדה הקרב. ב-3 אוגוסט 1862 נענו לבסוף בקשותיה הודות לתמיכתם של מייג'ר דניאל רוקר, שהיה אחראי על אגף האפסנאות, של הנרי וילסון, הסנטור של מסצ'וסטס, ושל ג'ון אנדרו, שהיה מושל מסצ'וסטס והמפקד הראשי של כוחות מסצ'וסטס. ברטון קיבלה את אישור המעבר המיוחל לקווים הקדמיים ובעקבות הקרב על הר סידר (Cedar Mountain) בווירג'יניה הצפונית, באוגוסט 1862, הצליחה להגיע בחצות לבית חולים שדה, עם עגלה עמוסה באספקה שהייתה רתומה לארבע פרדות. המנתח התורן שהיה עד לממדי האסון האנושי שהקיף אותו, התייחס מאוחר יותר לברטון, כאשר כתב: "חשבתי באותו לילה, כי אם אי פעם שלח גן עדן מלאך – הרי שהיא הייתה האחת – הסיוע שלה הגיע ממש בזמן".
ב-1 בספטמבר 1862 הגיעה ברטון לתחנת פיירפקס, ונחרדה לראות אלפי חיילים פצועים רעבים וצמאים, חשופים לקרני השמש הלוהטת. במשך יומיים תמימים עבדה ברטון ללא הפוגה כדי לספק לחיילים מזון ובגדים נקיים וכן ולחבוש את פצעיהם לקראת פינויים ברכבת לוושינגטון. ב-14 בספטמבר היא כבר הספיקה לטפל בפצועי הקרבות שהתחוללו בקרב הרפרס פרי (Harpers Ferry) ובקרב סאו'ת מאונטיין (South Mountain). כשהיה מחסור בתחבושות, היא ידעה לאלתר. היא השתמשה בעלי התירס שגדלו בשדות במקום בתחבושות, כפי שאירע בקרב אנטיאטם במרילנד, שהיה הקרב העקוב מדם בהיסטוריה הצבאית של ארצות הברית עד אותה עת, ובו נפגעו כ-23,000 חיילים משני הצדדים. עוד בטרם החל הקרב הגיעה ברטון לשדה ב-17 בספטמבר 1862 יחד עם צבא הפוטומק ועם עגלות האספקה שלה שהיו עמוסות בציוד רפואי שהיה מיועד לצוות הרפואי ולמנתחים. ברטון סייעה למנתחים בעבודתם, ולאחר שהייתה עדה מקרוב לכמה ניתוחים כירורגיים, למדה להסתגל למראה קטיעתם של איברים שבוצעו ללא שימוש בכלורופורם (חומר הרדמה שהיה נפוץ באותה עת). הקרב על אנטיאטאם כמעט שם קץ לחייה, כאשר כדור פילח את שרוול שמלתה והרג את הפצוע שבו טיפלה. במשך שישה שבועות עבדה ברטון ללא הרף בשדה, עד שחלתה בקדחת הטיפואיד (Typhoid fever), שבעטיה חזרה לוושינגטון כדי להחלים.
לאחר חודש של התאוששות בוושינגטון, היא השיגה את הצבא בהרפרס פרי, ולאחר מכן המשיכה איתו לפרידריקסבורג. בשבוע האחרון של חודש דצמבר 1862, עבדה ברטון בבית לייסי (Lacy House) שהוסב לבית חולים. כשהאספקה נגמרה ומרבית הפצועים מתו או נשלחו להמשך טיפול בוושינגטון, שבה ברטון לעיר הבירה.
אהבה ראשונה.
אביב 1863 טמן בחובו שינויים בחייה של ברטון. משרד המלחמה התיר לה להצטרף לאחיה דייוויד שהיה קצין אפסנאות בקורפוס ה-18 שהוקם ב-24 בדצמבר 1862. הוא היה מורכב בתחילת דרכו מחמש אוגדות שהוצבו בצפון קרוליינה במטרה להפציץ את צ'ארלסטון. בחודש אפריל 1863 היא הגיעה לאי הילטון הד (Hilton Head) שבקרוליינה הדרומית, ששימש כבסיס חשוב לפעולות המצור של האיחוד על נמלי הים של הקונפדרציה. לאחר שהאי נפל לידי כוחות האיחוד נהרו מאות עבדים שזכו בחופש בהתאם להצהרת האמנציפציה של אברהם לינקולן מינואר 1863 להילטון הד וניסו לשקם את חייהם, תוך שמירה על זהותם ותרבותם.
ברטון שוכנה באחד הבסיסים, במתחם הקצינים, סמוך לחדרו של קולונל ג'ון אלוול מקליבלנד שבאוהיו, שהיה קצין האפסנאות הראשי של האזור, נשוי ובעל משפחה בסינסינטי. החל מפגישתם הראשונה, הם למדו כי הם חולקים ביניהם דברים רבים במשותף כולל חיבתם העזה לסוסים. אלוול היה איש שיחה מבריק שקנה ברגישותו הרבה את ליבה של ברטון. הוא מצדו התרשם משנינותה, מחוכמתה ומעוז רוחה. בשל מעמדו כקצין בכיר, הייתה לאלוול גישה לאורוות הסוסים של הצבא והם ניצלו זאת עד תום. הם היו משכימים בבוקר ורוכבים לאורך החופים, סמוך למים, ונהנים זו מחברתו של זה. אלוול היה נוהג להזמינה בערבים לחדרו והיה אדיש לרינונים שהחלו להישמע מאחורי גבם. "אני לא יכול לשכוח את מראה הבעות פנייך בעת ששוחחנו", כך כתב לאחר מפגש אינטימי שנערך ביניהם. הקשר ביניהם התהדק אט אט וברטון חשה לראשונה בחייה רגשות אהבה לגבר. הם העבירו זה לזה עשרות פתקים והמסר הידידותי שהיה כתוב בהם, התחלף בהדרגה למילות אהבה. ברטון ידעה כי לעולם לא תחלוק את חייה עמו בשל היותו נשוי וכי לעולם לא תגרום לו לעזוב את אשתו ומשפחתו.
ברטון התוודעה בהילטון הד לפרנסיס גייג' שהייתה רפורמיסטית שדגלה בשוויון זכויות לנשים ובביטול העבדות. היא שימשה בעת ההיא כמפקחת על למעלה מ-500 עבדים שחורים משוחררים שעבדו במטעים, תחת פיקודו של הגנרל רופוס סקסטון. השתיים התיידדו וגילו עד מהרה כי הן חולקות ערכים ותפיסת עולם משותפת, שתתבטא מאוחר יותר בעבודה משותפת עם השחורים במקום. לאחר תקופה חשה ברטון רגשות אשמה בשל היותה מנותקת מהמאבק המלחמתי והיא החליטה לעזוב. אלוול שכנע אותה להישאר, אך לא לזמן רב. עד מהרה התדפקה המלחמה על דלתם. ברטון ומרי גייג', בתה של פרנסיס, ששהתה עם אמה במקום, הצטרפו לכוחות שהוקצו למצור על פורט וגנר בדרום קרוליינה. הפקידים הצבאיים התרעמו על נוכחותה במקום ולאחר זמן מה, היא שבה חולה ומותשת נפשית להילטון הד, שם זכתה לטיפולו המסור של אלוול. לאחר שהתאוששה סייעה לפרנסיס גייג' בפעולות השיקום של הפועלים השחורים שעבדו במטעים. היא העריצה את תרבותם העשירה, סייעה להם במזון ובביגוד ולימדה אותם קרוא וכתוב, מה שנבצר מהם בעת שהיו משועבדים לאדוניהם.
לאחר סיומם של 10 חודשי מצור בפטרבורג, הודיע המצביא גרנט לנשיא אברהם לינקולן על כניעתו של רוברט לי, מפקד כוחות הדרום. ב-9 באפריל 1865 הגיעה לסיומה מלחמת האזרחים האמריקאית בניצחונו של האיחוד.
טיפולה בחיילים הנעדרים.
במהלך מלחמת האזרחים ולאחר סיומה נשלחו לברטון מכתבים רבים ממשפחות החיילים הנעדרים שבהם נשאלה האם היא טיפלה בבניהם במהלך הקרבות והאם ידוע לה מה עלה בגורלם. היא נדהמה לגלות כי אלפי מכתבים של קרובי משפחה מוטרדים הגיעו גם למשרד המלחמה, אך לא נענו כיוון שבאותה עת לא הייתה שיטה רשמית לתיעוד החיילים הנעדרים או הנספים, ורבים מהם תויגו כנעדרים או ככאלה שנקברו בקברים לא מסומנים. היא חשה מחויבות לנושא ובשל כך פנתה לנשיא לינקולן וביקשה כי יאשר לה להגיב באופן רשמי לפניות הללו. ימים ספורים לפני ההתנקשות בחייו של הנשיא, היא קיבלה מענה חיובי והתבקשה להוביל את החיפוש אחר שבויי המלחמה הנעדרים. וכך כתב לינקולן: "לחברים של הנעדרים, הגברת קלרה ברטון הציעה בחביבות לתור אחר שבויי המלחמה הנעדרים. אנא פנו אליה לאנאפוליס, מרילנד וכתבו את שמו של כל אסיר נעדר, שם הגדוד ושמות המקורבים לו".
בקיץ 1865 סייעה ברטון באיתורם, בזיהוים ובהבאתם לקבורה של 13,000 שבויי מלחמה שמתו במחנה השבויים אנדרסונוויל, שהכיל במהלך המלחמה 49,485 אסירים. כלא אנדרסונוויל היה בית הסוהר הצבאי ומחנה השבויים הגדול ביותר של קונפדרציית המדינות של אמריקה בתקופת מלחמת האזרחים האמריקנית. בשל המשאבים הדלים של הקונפדרציה, היה נתון בית הסוהר במחסור תמידי של מזון, ומעט המים שהיו בו הזדהמו בגלל הצפיפות והתנאים הקשים ששררו בו. במהלך קיץ 1864 סבלו האסירים מרעב, מחשיפה לחום ולמחלות ובמשך שבעה חודשים מתו כשליש מהם. בסתיו, לאחר נפילתה של אטלנטה, נשלחו כל האסירים שניתן היה לשלחם למילן (Milln) שבג'ורג'יה ולפלורנס שבדרום קרוליינה.
נחישותו של דורנס אטווטר (Dorence Atwater), שהיה שבוי במחנה אנדרסונוויל, שמה קץ לאי-הוודאות באשר לגורלם של מרבית שבויי אנדרסונוויל הנעדרים. בהיותו אסיר, הוא עבד בבית החולים ולפיכך הייתה לו גישה לרשימות השבויים שנפטרו. הוא שמר לעצמו עותק מהרשימה ובחודש יולי 1865 הוא פנה לברטון וביקש ממנה כי תשלח לו עותקים ממכתבי משפחות הנעדרים שהיו בידיה כדי להצליבם עם המידע שהיה בידיו. ברטון פנתה מיד לאדווין סטנטון, שהיה מזכיר המלחמה, וביקשה את רשותו להצטרף למשלחת הצבאית שהייתה אמורה להגיע לאנדרסונוויל, כדי לסייע בזיהוי קברי הנעדרים. היא שהתה שם בחודשים יולי ואוגוסט ויחד עם אטווטר הם עברו שוב ושוב על הרשימות שהיו בידיהם ועל רישומי בית החולים שעלה בידיהם להשיג. בשעה שהפועלים עמלו בבית הקברות בבניית מצבות לזכר החיילים שזוהו, שלחה ברטון אלפי מכתבים שבהם הודיעה למשפחות כי יקיריהם נטמנו באנדרסונוויל. היא ואטווטר פרסמו את שמותיהם של 13,000 החללים ואף דאגו כי קברו של כל אחד ואחד מהם יסומן כראוי.