Zu Beginn des amerikanischen Sezessionskriegs im Jahre 1861 trat Eli Lilly in die Union Army ein. Während seines Armeedienstes wurde sein Sohn Josiah geboren. Lilly rekrutierte aktiv bei seinen früheren Schulkollegen, Freunden, lokalen Händlern und Bauern und versuchte sie in seine Einheit zu bringen. Er erstellte und verteilte Plakate rund um Indianapolis und warb so für seine "crack battery of Indiana". Seine Einheit, die 18th Independent Battery Indiana Light Artillery (dt. "18. unabhängige Leichte Artillerie Batterie von Indiana"), war bekannt unter dem Namen "Lilly Battery". Sie umfasste sechs Parrotte und war 150 Mann stark. Er versammelte alle in Indianapolis und bildete die Soldaten in kurzer Zeit aus. Von August 1862 bis zum Winter 1863 war er Kommandant seiner Einheit, welche der Lightning Brigade unter dem Kommando des Obersten John T. Wilder angehörte. Vor seiner Kommandantentätigkeit hatte er nur wenig militärische Erfahrung in Lafayette bei der Indiana Legion sammeln können. Viele seiner Kameraden sahen ihn als zu jung und unerfahren an, um die Batterie zu führen. Trotz seiner anfänglichen Unerfahrenheit wurde er ein kompetenter Artillerieoffizier und seine Einheit war maßgeblich an mehreren wichtigen Schlachten beteiligt. Sein erster Einsatz war 1863 während der Schlacht am Hoover’s Gap, es folgten Einsätze während der Zweiten Schlacht von Chattanooga und während der Schlacht am Chickamauga.