El 9 de agosto de 1861, Martindale fue nombrado general de brigada de voluntarios en el Ejército de la Unión y se le asignó el mando de una brigada dentro del Ejército del Potomac. Posteriormente participó en todas las batallas de la Campaña de la Península en el V Cuerpo. Después de la retirada de Malvern Hill, fue nombrado general mayor de voluntarios y nombrado gobernador militar de Washington, DC, puesto que ocupó desde noviembre de 1862 hasta mayo de 1864. Después regresó al servicio de campo, luchando con el XVIII Cuerpo en la Campaña de Bermuda Hundred, la batalla de Cold Harbor y el asedio de Petersburgo, comandando el cuerpo brevemente a mediados de julio de 1864. En septiembre de 1864 renunció a su cargo debido a su mala salud.