Hamilton choisit de suivre la cause de l'Union et est nommé colonel du 3rd Wisconsin Infantry le , et est promu brigadier général le . Il reçoit ensuite le commandement d'une brigade dans la division du major généralNathaniel P. Banks de l'armée du Potomac. Au début de la campagne de la Péninsule, Hamilton reçoit le commandement de la troisième division du corps. Il mène cette division pendant le siège de Yorktown, mais provoque la colère de George B. McClellan pour insubordination. Ignorant le fait qu'écarter Hamilton lui créera de puissants ennemis politiques, McClellan relève Hamilton le , sans explication. Quand Lincoln souligne l'inconvenance de McClellan, McClellan déclare . Avant la fin des préparatifs du siège d'un mois, Hamilton est transféré sur le théâtre occidental, où il commande la troisième division de l'armée du Mississippi, lors des batailles d'Iuka et de Corinth. À la suite de Corinth, en octobre 1862, il est promu major général, avec une date de prise de rang au .