Im August 1861 erhielt Martindale ein Offizierspatent zum Brigadegeneral der Freiwilligen in der Unionsarmee und wurde dem V Corps zugeteilt, das an allen Schlachten im Halbinsel-Feldzug teilnahm. Nach dem Rückzug von Malvern Hill erhielt er einen Brevet-Rang als Generalmajor der Freiwilligen und wurde zum Militärgouverneur von Washington, D.C. ernannt, was er von November 1862 bis Mai 1864 blieb. Kurz nach seiner Rückkehr auf das Schlachtfeld, kämpfte er mit dem XVIII Corps im Bermuda Hundred Feldzug und der Belagerung von Petersburg, wo er das Corps Mitte Juli 1864 kurzzeitig kommandierte. Im September 1865 gab er auf Grund seines schlechten Gesundheitszustandes sein Offizierspatent zurück.