Heinemann besuchte das Gymnasium in seiner Heimatstadt und trat am 20. Mai 1831 in das 26. Infanterie-Regiment der Preußischen Armee ein. Er avancierte Mitte September 1832 zum Sekondeleutnant und war 1838/41 zur weiteren Ausbildung an die Allgemeine Kriegsschule kommandiert. Danach war er 1842/45 als Lehrer für Mathematik an der Divisionsschule der 7. Division tätig und wurde im Anschluss zur Topographischen Abteilung des Großen Generalstabes kommandiert. Als Premierleutnant und Kompanieführer folgte ab Mitte Juni 1848 eine Verwendung im II. Bataillon des 26. Landwehr-Regiments in Burg und dann als Adjutant der 7. Infanterie-Brigade. Kurz darauf wurde Heinemann Adjutant der 3. Division des Armeekorps in Baden und nahm in dieser Eigenschaft im Zuge der Niederschlagung der Revolution an den Gefechten bei Philippsburg, Waghäusel, Durlach, Bischweier und Kuppenheim teil. Nach Beendigung der Kampfhandlungen war er als Generalstabsoffizier der mobilen 16. Division tätig, wurde im Mai 1852 Adjutant der 14. Infanterie-Brigade und kehrte dann mit der Beförderung zum Hauptmann als Kompaniechef Mitte Juni 1852 zu seinem Stammregiment zurück. Für ein Jahr war Heinemann zum III. Bataillon des 26. Landwehr-Regiments in Neuhaldersleben kommandiert, wurde anschließend als Major in das 31. Infanterie-Regiment versetzt und am 13. November 1860 zum Kommandeur des I. Bataillons ernannt. Zwischenzeitlich zum Oberstleutnant aufgestiegen, führte er sein Bataillon 1866 während des Krieges gegen Österreich in den Kämpfen bei Münchengrätz und Blumenau.