Miles se encontraba trabajando como dependiente de un negocio de loza cuando estalló la Guerra Civil. Se incorporó al Ejército Federal el 9 de septiembre de 1861 como voluntario y luchó en numerosas batallas cruciales. Ascendió a teniente en el 22º Regimiento de voluntarios de Infantería de Massachusetts y se le asignó el puesto de teniente coronel del 61° Regimiento de Infantería de Nueva York el 31 de mayo de 1862. Promocionó a coronel tras la Batalla de Antietam. Otras batallas en las que participó fueron la Fredricksburg, Chancellorsville y la Campaña del Appomattox. Herido por cuatro veces en el campo de batalla (le dispararon en el cuello y en el abdomen en Chancellorsville), recibió la graduación honoraria de General de Brigada de los voluntarios y se le concedió la Medalla de Honor por su arrojo, ambas en reconocimiento por sus actuaciones en Chancellorsville. Se le ascendió al rango máximo el 12 de mayo de 1864 por la Batalla de la Wilderness y la Batalla de Spotsylvania, llegando a ser más tarde General Mayor de los voluntarios a la edad de 26 años.