Bei Ausbruch des Bürgerkriegs wurde Cox zum Major der "2. North Carolina Infanterie" befördert und nach Virginia beordert. Während der Peninsula-Campaign (März bis Juli 1862) kämpfte er u. a. am 26. Juni 1862 bei der Schlacht von Mechanicsville und am 1. Juli 1862 bei der Schlacht am Malvern Hill. Bei der Schlacht bei Chancellorsville vom 1. bis 4. Mai 1863 wurde Cox fünfmal verwundet und verlor drei Viertel seines Regiments innerhalb von 15 Minuten. Aufgrund seiner Verwundungen und dieser Niederlage nahm er die nächsten Monate nicht mehr aktiv am Kriegsgeschehen teil. Erst bei der Schlacht bei Spotsylvania Court House vom 8. bis 21. Mai 1864 führte er wieder seine Truppen an. Einen Monat später erhielt er das Kommando über die Truppen von General Stephen Dodson Ramseur und wurde zum Brigadegeneral befördert. Vom 2. bis 9. April 1865 unterstützte er General Robert Edward Lee bei dessen Appomattox-Feldzug, wo er sich am Ende dem General der Unionsarmee Ulysses S. Grant ergab.