Pendant les premiers jours de la guerre de Sécession, la compagnie de la milice de Cook est enrôlée dans le service fédéral en . Elle forme le noyau de la compagnie I du Illinois Volunteer Regiment, dont Cook est nommé colonel. Lors de la bataille de Fort Donelson, il commande la troisième brigade de la deuxième division du district de Cairo, du département du Missouri. Au cours de la tentative de percée confédérée du , le général Ulysses S. Grant conclut que les confédérés ont dû affaiblir le versant opposé pour renforcer leur assaut. Ce secteur affaibli sépare les brigades de Cook et de Jacob G. Lauman. La brigade de Lauman est prévue pour la principale poussée alors que la brigade de Cook doit faire une diversion pour détourner le feu. Les troupes de Cook néanmoins réussissent à capturer une batterie d'artillerie clé des confédérés, ce qui ouvre la voie à l'effondrement de la ligne de défense dans son secteur. Après la bataille, il est promu au brigadier général des volontaires le , avec la confirmation du Sénat le , avec une date de prise de rang au . Cook reste au commandement de sa brigade pour un court laps de temps après Fort Donelson. Bien qu'encore colonel, il est affecté au commandement de la sixième division de l'armée du Tennessee. Ce commandement est rapidement remis au brigadier général Benjamin M. Prentiss qui prend la tête de la division avec un peu de notoriété à Shiloh. Cook pendant ce temps est transféré au commandement d'une brigade des défenses de Washington.