Bei Ausbruch des Bürgerkriegs 1861 ging Donelson als Freiwilliger zur Tennessee-Miliz. Bei seiner Rückkehr in die Miliz wurde er in seinen alten Rang als Brigadegeneral eingesetzt; nachdem Tennessee den Konföderierten Staaten beigetreten war, wurde er auch Brigadegeneral im konföderierten Heer. In den folgenden zwei Jahren leistete Donelson aktiven Dienst im Heer und kämpfte unter anderem vom 31. Dezember 1862 bis 2. Januar 1863 in der Schlacht am Stones River. Kurz vor seinem Tode wurde er Anfang 1863 noch zum Generalmajor befördert und zum Befehlshaber in Ost-Tennessee ernannt.