Il devient lieutenant dans le d'infanterie des volontaires du Massachusetts, puis est nommé lieutenant-colonel du d'infanterie des volontaires de New York le . Il est promu au grade de colonel après la bataille d'Antietam. Il participe à d'autres batailles dont celles de Fredericksburg et Chancellorsville et prend part à la campagne d'Appomattox. Blessé quatre fois dans les combats (il a été blessé au cou et à l'abdomen à Chancellorsville), il reçoit le grade honorifique (le ) de général de brigade dans l'armée régulière, en reconnaissance de ses actes à Chancellorsville, et le brevet de major général pour Spotsylvania Court House. Il reçoit la "" le pour sa bravoure à Chancellorsville. Il a été nommé général de brigade des volontaires le , pour les batailles de la Wilderness et Spotsylvania Court House. Le , il est nommé major général des volontaires à l'âge de 26 ans. Après la guerre, il est commandant de Fort Monroe en Virginie, où l'ancien président confédéré Jefferson Davis est retenu prisonnier. Pendant son mandat à Fort Monroe, Miles est obligé de se défendre contre les accusations de maltraitance de Davis.