Da generalmajor George G. Meade reorganiserede Army of the Potomac i 1864, blev Wainwright leder af artilleriet i 5. Korps i stedet for Augustus P. Martin. Han fungerede på denne post indtil krigens slutning. Blandt hans mest vellykkede handlinger var det at bruge kanoner til at bryde det konfødererede angreb under Slaget ved North Anna. Han blev forfremme til midlertidig brigadegeneral den 1. august 1864.