Il commande le III corps de l'armée du Potomac, lors de la campagne de la Péninsule. Son corps joue un rôle de premier plan dans le siège de Yorktown où Heintzelman et le commandant de la division, Fitz John Porter, sont parmi les premiers à utiliser l'Union Army Balloon Corps. Le corps supporte le poids des combats à Williamsburg et participe à d'importantes actions à Fair Oaks et Oak Grove. Son corps est provisoirement rattaché à l'armée de Virginie et prend part à la seconde bataille de Bull Run. Il est breveté brigadier général dans l'armée régulière pour sa participation à la bataille de Fair Oaks le et nommé major général des volontaires pour son action à la bataille de Williamsburg le . Sa popularité et sa confiance au sein de l'armée sont éclipsées par la nature agressive de ses subordonnés, les commandants de division Joseph Hooker et Philip Kearny. Relevé de ses fonctions de l'armée du Potomac à la fin de 1862, il est affecté à la défense de Washington, au commandement du département de Washington pendant deux ans. Pour le reste de la guerre, il commande le département du Nord. Il est breveté major général de l'armée régulière le pour . Il quitte le servie actif des volontaires le .