Rechtzeitig zum Beginn des Frühjahrsfeldzuges am 25. März 1864 unter dem neuen Oberbefehlshaber Ulysses S. Grant kehrte Barlow in den Felddienst zurück. Er übernahm eine Division des II. Korps unter Generalmajor Winfield Scott Hancock, der ebenfalls bei Gettysburg schwer verwundet worden und eben erst genesen war. Während der Schlacht in der Wilderness wurde Hancocks Korps vorwiegend mit defensiven Aufgaben betraut, doch eine Woche später bei Spotsylvania erhielt Barlow eine schwierige Aufgabe: die Division bekam den Auftrag, einen schwer befestigten Frontvorsprung (bekannt als "The Angle" oder, wegen seiner Hufeisenform, als "The Mule Shoe") im Zentrum der feindlichen Stellung zu erstürmen. Gemeinsam mit der Nachbardivision gelang es den Unionstruppen 3.000 Gefangene – darunter zwei Generale – zu machen und 30 Regimentsfahnen und 20 Geschütze zu erbeuten.