Il est promu premier lieutenant dans la compagnie E, du 4th Michigan Infantry le 20 juin 1861, et il est promu capitaine de la compagnie H le 20 août 1861. Son régiment participe à la campagne de la Péninsule, où il est blessé à la bataille de Gaines' Mill le 28 juin 1862. Il est promu colonel et assume le commandement du 18th Michigan Infantry le 13 août 1862. Doolittle et son régiment servent sur le théâtre occidental pendant la durée de la guerre, avec différentes missions dans le Kentucky, le Tennessee, l'Alabama et la Géorgie.