À frente da 3ª Divisão do Exército Imperial, apelidada de "Divisão Encouraçada", composta pelos lendários batalhões "Arranca-Toco", "Vanguardeiro" e "Treme-Terra", lutou nas operações de transposição do rio Paraná, na Batalha da Confluência e na Batalha de Estero Bellaco. Na batalha de Tuiuti (24 de maio de 1866, ironicamente a data de seu aniversário), considerada a maior batalha campal já travada na América do Sul, Sampaio foi gravemente ferido três vezes, por estilhaços de granada, gangrenando-lhe a coxa direita, além de outras duas vezes, nas costas.