Le , Martindale est nommé brigadier général des volontaires dans l'armée de l'Union, et se voit attribuer le commandement d'une brigade au sein de l'armée du Potomac unioniste. Plus tard, il participe à toutes les batailles de la campagne de la Péninsule dans le Ve corps. Après la retraite de Malvern Hill, il est breveté major-général des volontaires, et nommé gouverneur militaire de Washington, DC, un poste qu'il occupe de à . Par la suite, il retourne sur le terrain des opérations, combattant avec le XVIIIe corps lors de la campagne de Bermuda Hundred, la bataille de Cold Harbor et le siège de Petersburg, commandant le corps d'armée brièvement à la mi-. En , il démissionne de la commission en raison de sa mauvaise santé.