Hartranft lève un régiment de trois ans, le 51st Pennsylvania Infantry, et devient son colonel. Ils servent d'abord sur la côte de la Caroline du Nord lors de l'expédition de Burnside. Hartranft les mène lors de la bataille de l'Île de Roanoke et à New Bern. En , les hommes de Hartranft partent à Newport News, en Virginie, pour faire partie du IXe corps de Burnside, avec lequel ils combattent à la seconde bataille de Bull Run et à South Mountain. Ils combattent également lors de la bataille d'Antietam, où Hartranft mène la fameuse charge à travers le pont de Burnside, subissant . Ils participent également à la bataille de Fredericksburg. Le 51st Pennsylvania est transféré sur le théâtre occidental, où Hartranft participe aux batailles de Vicksburg, Campbell's Station, et Knoxville ; dans les deux dernières actions, il sert comme commandant de la deuxième division du IXe corps pendant qu'il est encore colonel.