Walker rejoint l'armée des États-Unis en tant que premier lieutenant du Regiment of Mounted Rifles en 1846, et sert avec distinction lors de la guerre américano-mexicaine, où il est breveté capitaine pour son action à San Juan de los Llanos et est blessé à Molino del Rey. Il est promu capitaine en . En 1858, il épouse Sophie Baylor, dont la famille est responsable de la dénomination de l'Université Baylor. Walker reste dans l'armée jusqu'en , quand il rejoint l'Armée des États confédérés en tant que commandant dans la cavalerie.