Pian sodan syttymisen jälkeen jo lähes 40-vuotias Hayes liittyi vapaaehtoisena Unionin armeijaan, jossa hänet määrättiin "Luppiokivääreinä" tunnettuun yksikköön. Kesäkuussa 1861 Ohion kuvernööri nimitti Hayesin Ohion 23. vapaaehtoisrykmentin majuriksi, johon muun muassa William McKinley kuului. Hayes haavoittui käsivarteen South Mountainin taistelussa 1862, mutta jatkoi hyökkäyksen johtamista siitä huolimatta. Vuonna 1863 Hayes ylennettiin everstiksi ja sai komennettavakseen oman prikaatin. Seuraavien kahden vuoden aikana Hayesin prikaati teki useita iskuja Konfederaation joukkoja vastaan Virginiassa. Yksittäisistä taisteluista Hayesin kannalta tärkeimpiä olivat toinen Kernstownin taistelu, jossa hän johti ansiokkaasti Unionin joukkojen vetäytymistä taistelun jälkeen, ja Opequonin taistelu, jossa hän johti ratkaisuhyökkäystä. Hayesin sotilasuran viimeinen taistelu käytiin lokakuussa 1864 Cedar Creekissä, jossa hän loukkasi ensin nilkkansa, kun hevonen ammuttiin hänen altaan, ja sai sen jälkeen osuman päähänsä. Hayesin miehet luulivat aluksi tämän kuolleen, minkä takia monet sanomalehdet uutisoivat Hayesin kaatuneen taistelussa.