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.