McCain phục vụ trên các hàng không mẫu hạm USS "Intrepid" và USS "Enterprise", trong Biển Caribbe và được triển khai đến Địa Trung Hải. Ông trực chiến trên hàng không mẫu hạm "Enterprise" khi nó tham dự cuộc phong tỏa Cuba trong suốt thời gian có cuộc Khủng hoảng tên lửa Cuba năm 1962. Năng lực phi hành của ông được cải thiện, nhưng ông chút nữa bị mất mạng khi máy bay ông lái gần như va chạm đường dây điện sau khi bay quá thấp trên bầu trời Tây Ban Nha. Ông trở về Căn cứ Pensacola nơi ông phục vụ như một huấn luyện viên dạy lái máy bay tại Căn cứ Không lực Hải quân Meridian ở Mississippi. Khu sân bay này có tên là Trường bay McCain được đặt tên để vinh danh ông nội của ông. Vào năm 1964, ông có quan hệ tình cảm với Carol Shepp, một người mẫu có gốc ở Philadelphia, Pennsylvania; họ đã gặp nhau tại Annapolis và bà đã lấy một người bạn học của ông, nhưng sau đó ly dị. Ngày 3 tháng 7 năm 1965, McCain cưới Shepp tại Philadelphia, Pennsylvania. McCain nhận nuôi hai con của bà là Doug và Andy, năm tuổi và ba tuổi vào lúc đó; ông và bà sau đó có với nhau một con gái tên Sidney vào tháng 9 năm 1966. Mùa thu năm 1965 ông lại chút nữa bị mất mạng khi máy bay của ông chết máy trên bầu trời Norfolk, Virginia khiến ông phải nhảy dù an toàn ra ngoài và phi cơ của ông bị rơi.