Noch bevor Cox am 1. Januar 1866 aus der Armee entlassen wurde, war er zum Gouverneur von Ohio gewählt worden. Er übte dieses Amt bis 1867 aus. Aufgrund seiner liberalen Ansichten zur Frage des Wahlrechts von Afroamerikanern und seiner zustimmenden Haltung zum Wiedereingliederungsprogramm von Präsident Andrew Johnson für die geschlagenen Staaten des Süden wurde Cox von den Republikanern Ohios 1867 nicht mehr als Kandidat für die Gouverneurswahl aufgestellt. Nach seinem Ausscheiden aus dem arbeitete Cox dann als Anwalt in Cincinnati.