Under invasjonen av Irak i 2003 ledet Seth Moulton en av de første infanteri-avdelingene som gikk inn i Bagdad. Han tjenestegjorde tilsammen under fire deployeringer til Irak mellom 2003 og 2008, og ble tildelt en Bronze Star Medal for denne innsatsen. I 2008 tildelte general David Petraeus Moulton oppgaven å opprettholde forbindelser mellom forskjellige stammeledere i det sørlige Irak. Efter sin innsats ble Moulton dimittert fra Marine Corps med rang som kaptein.