W wojskach inżynieryjnych

Po wybuchu wojny Wilson został awansowany do stopnia porucznika i służył jako kartograf w siłach ekspedycyjnych skierowanych dla zdobycia Port Royal od września 1861 do marca 1862 roku. W tym charakterze brał udział w przygotowaniach do bitwy o Fort Pulaski w ujściu rzeki Savannah, po czym otrzymał awans na majora regularnej armii. Następnie, w kwietniu 1862 roku, przeniesiony został do Armii Potomaku, gdzie nadał służył jako kartograf, ale jednocześnie jako adiutant generała McClellana. Służył pod jego rozkazami podczas kampanii w Maryland i uczestniczył w bitwach pod South Mountain i Antietam.

Później Wilson został przeniesiony na zachodni teatr działań, gdzie trafił pod rozkazy gen. mjr. Granta, dowódcy Armii Tennessee już w stopniu podpułkownika topografii. W czasie trwania kampanii vicksburgskiej został inspektorem generalnym armii Granta. 30 października roku 1863 został wyniesiony do stopnia generała brygadiera formacji ochotniczych, jako jedyny oficer kiedykolwiek mianowany w ten sposób spośród sztabowców Granta. Niezależnie od promocji wykonywał swe sztabowe obowiązki podczas trzeciej bitwy pod Chattanoogą i był czołowym kartografem sił wysłanych do Knoxville pod dowództwem gen. mjr. Shermana.

Dowódca kawalerii

W roku 1864 Wilson przeszedł z wojsk inżynieryjnych do kawalerii. 17 lutego 1864 roku został mianowany szefem Biura Kawalerii w Waszyngtonie. Był znakomitym administratorem, ale jego zdolności wskazywały, że powinien dowodzić w polu. Grant awansował go 6 maja 1864 roku do stopnia generała brygadiera kawalerii i skierował – jako dowódcę dywizji – w korpusie gen. mjr. Sheridana, gdzie wykazał się odwagą i doświadczeniem we wszystkich kampaniach Sheridana latem i jesienią 1864 roku. Jednakże, tuż przed decydującą bitwą Sheridana nad Cedar Creek, w październiku Wilson został mianowany generałem majorem formacji ochotniczych i przeniesiony ponownie na zachód, gdzie został szefem kawalerii u boku Shermana w jego Wydziale Wojskowym Missisipi.

Jako szef szkolił kawalerię Shermana (dowodzoną przez gen. bryg. Kilpatricka) przed jego „marszem ku morzu”. Nie towarzyszył jednak Shermanowi, natomiast na czele 17 tysięcy konnych został przydzielony do gen. mjr. George’a Thomasa i jego Armii Cumberlandu rozpoczynającej w listopadzie kampanię Franklin-Nashville. Odrzucenie przezeń skrzydłowego ataku sił gen. Forresta ocaliło Armię Unii w czasie bitwy pod Franklin. Za zasługi w bitwie pod Nashville został awansowany do stopnia generała brygadiera armii regularnej. Poprowadził zwycięski rajd przez terytoria Alabamy i Georgii, pokonując słabsze siły Forrest oraz zajmując Selmę i cztery inne ufortyfikowane miejscowości. W Wielkanoc 1865 roku jego kawalerzyści zaatakowali i zdobyli miasto Columbus w Georgii, co uważa się powszechnie za ostatnie starcie zbrojne wojny secesyjnej. Jego ludzie dokonali ogromnych zniszczeń w infrastrukturze militarnej Południa, ale robili to z dużym poczuciem dyscypliny, nie pozwalając sobie na rabunki i niszczenie własności prywatnej. Za swe zasługi w czasie rajdu otrzymał awans na generała majora regularnej armii z pełną promocją w dniu 6 maja 1865. Kawalerzyści Wilsona odznaczyli się w maju jeszcze jednym: ujęli konfederackiego prezydenta Jeffersona Davisa przemykającego się chyłkiem przez Georgię.

Po zakończeniu wojny Wilson, jak większość generałów, wrócił do stopnia podpułkownika z przydziałem do nowo utworzonego 35. pułku piechoty, przy czym wykonywane przezeń obowiązki wiązały się Korpusem Wojsk Inżynieryjnych aż do odejścia z wojska w grudniu 1870 roku.