Bij het uitbreken van de Burgeroorlog in 1861 vertrok Von Vegesack naar de Verenigde Staten en sloot zich aan bij het leger van de Unie. Hij werd kapitein van de 58e Ohio Infanterie. In hetzelfde jaar werd hij gepromoveerd tot majoor in de staf van generaal John E. Wool. Eerst diende hij in Fort Monroe. Als aide-de-camp (ADC) van Joseph K. Mansfield nam hij deel aan het artilleriebombardement op Newport News. In 1862 nam hij ontslag, maar voegde zich toen bij generaal-majoor George B. McClellan bij zijn belegering van Yorktown. Als ADC van Butterfield nam hij deel aan de veldslagen van Hanover Court House, Seven Pines en Fair Oaks. Hij was bij de Slag bij Mechanicsville, Gaines's Mill, Savage's Station
, en Malvern Hill. Vegesack werd benoemd tot kolonel van de 20e New Yorkse infanterie, het Duitse "Turner" regiment. Hij kreeg het commando over de 3e brigade in generaal William Farrar Smith's divisie van het 6e legerkorps. Hij nam deel aan de Tweede Slag bij Bull Run. Hij heeft de heuvels buiten Jefferson, Maryland veroverd. Hij toonde moed bij Antietam. Vegesack was in de Slag bij Fredericksburg. In mei 1863 was Vegesack's regiment een deel van Joseph Hooker's linkse vleugel in de Slag bij Chancellorsville.