Do không thể thống nhất trong việc giải quyết vấn đề Scotland, xung đột vũ trang giữa nghị viện và vua Charles I bùng nổ vào mùa thu năm 1642. Trước khi gia nhập lực lượng của nghị viện, kinh nghiệm quân sự duy nhất của Cromwell là những đợt huấn luyện với lực lượng dân quân địa phương. Vào lúc đó, ở tuổi 43, ông chiêu mộ được một đơn vị kỵ binh ở Cambridgeshire sau khi ngăn một đoàn vận chuyển bạc từ các đoàn thể ở Cambridge cho nhà vua. Cromwell cùng đội quân của mình sau đó tham gia trận đánh quyết định vào tháng 10 năm 1642, trận Edgehill. Đơn vị của ông được tăng lên thành một trung đoàn đầy đủ vào mùa đông năm 1642 và là một phần của liên quân phía đông do Edward Montagu, tử tước Manchester, chỉ huy. Cromwell có thêm kinh nghiệm và giành được chiến thắng trong nhiều trận đánh ở phía đông đảo Anh trong năm 1643, đáng kể nhất là trận Gainsborough ngày 28 tháng 7.[19] Sau trận đánh này, Cromwell được cử làm thống đốc Ely và được thăng hàm đại tá trong liên quân phía đông.

Vào thời gian diễn ra trận Marston Moor tháng 7 năm 1644, Cromwell được thăng hàm thiếu tướng kỵ binh trong quân đoàn Manchester. Thành công của đội kỵ binh do ông chỉ huy trong việc chọc thủng hàng rào kỵ binh của quân hoàng gia rồi tấn công bộ binh từ phía sau tại Marston Moor là một yếu tố quan trọng đóng góp vào thắng lợi của phe nghị viện trong trận đánh đó. Cromwell luôn dẫn đầu đội quân của mình và đã bị một vết thương ở đầu. Cháu trai của ông, Valentine Walton, tử trận ở Marston Moor, và Cromwell viết một bức thư rất nổi tiếng cho cha của anh, anh rể của ông, kể lại cái chết can đảm của người lính. Trận Marston Moor giúp phe nghị viện kiểm soát miền bắc nước Anh, nhưng phe hoàng gia vẫn còn kháng cự.

Trận Newbury lần thứ hai bất phân thắng bại diễn ra vào tháng 10 năm 1644 đồng nghĩa với việc cho tới cuối năm 1644, cuộc chiến vẫn chưa có dấu hiệu gì sẽ kết thúc. Trong trận Newbury, quân đoàn của tử tước Manchester đã để quân của nhà vua phá vây, dẫn đến bất đồng trong quan điểm của Cromwell với Manchester. Cromwell cho rằng ông này không có đủ nhiệt tình để chỉ huy cuộc chiến. Manchester thì kết tội Cromwell chiêu mộ những người "thuộc dòng dõi thấp hèn" làm sĩ quan quân đội. Cromwell đáp trả rằng: "Nếu chọn những người trung thực làm đội trưởng kỵ binh, những người trung thực khác sẽ theo họ… Tôi thà có một đội trưởng khoác áo vải thô biết rõ anh ta chiến đấu cho cái gì và yêu cái mà mình chiến đấu cho còn hơn là một người mà ông gọi là quý tộc, nhưng chỉ có mỗi thế thôi".[20] Lúc đó, Cromwell cũng bất đồng quan điểm với thiếu tướng Lawrence Crawford, một nhân vật của giáo hội Scotland liên minh với quân nghị viện của Manchester, người phản đối việc Cromwell khuyến khích sự tham gia của những người độc lập không theo chính thống giáo vào quân đội.[21] Những khác biệt của Cromwell với các đồng minh người Scotland biến thành tình trạng thù địch công khai vào năm 1648 và giai đoạn 1650-1651.

Đầu năm 1645, nghị viện Anh thông qua một sắc lệnh buộc các thành viên của cả Hạ viện và Thượng viện, bao gồm cả tử tước Manchester, phải lựa chọn giữa một vị trí quản lý nhà nước hoặc chỉ huy quân đội. Tất cả các nghị viên, trừ Cromwell, đang làm nhiệm vụ trên chiến trường, quyết định từ bỏ các vị trí của mình trong quân đội. Sắc lệnh nói trên còn quy định việc tổ chức lại quân đội trên cơ sở quốc gia, thay thế cho những liên quân mang tính địa phương. Tháng 4 năm 1645, quân đội mới được thành lập với tổng tư lệnh là Sir Thomas Fairfax và Cromwell là phó tổng tư lệnh, hàm trung tướng kỵ binh. Lúc đó, quân số chiến trường của phe nghị viên gần gấp đôi của nhà vua. Trong trận Naseby tháng 6 năm 1645, quân nghị viên giành một chiến thắng hủy diệt trước quân nhà vua. Cromwell đã chỉ huy cánh quân của ông một cách xuất sắc tại Naseby và lại một lần nữa hạ gục đội kỵ binh hoàng gia. Trong trận Langport ngày 10 tháng 7 năm 1645, Cromwell tham gia trong thất bại của đội quân đáng kể cuối cùng của lực lượng hoàng gia. Hai trận đánh đó đã kết thúc hy vọng chiến thắng của nhà vua và các chiến dịch của phe nghị viện sau đó chỉ còn là tấn công, bao vây và đánh chiếm các vị trí phòng thủ của quân hoàng gia ở phía tây nước Anh. Tháng 10 năm 1645, Cromwell bao vây và chiếm được Basing House, nơi ông đã giết hàng trăm quân đóng giữ của phe hoàng gia sau khi họ đã đầu hàng.[22] Cromwell cũng tham gia các trận vây hãm ở Bridgwater, Sherborne, Bristol, Devizes, và Winchester, rồi sau đó trải qua nửa đầu năm 1646 trong việc dập tắt các kháng cự cuối cùng của quân đội hoàng gia ở Devon và Cornwall. Charles I đầu hàng những người Scotland ngày 5 tháng 5 năm 1646, cuộc nội chiến kết thúc. Cromwell và Fairfax chính thức chấp nhận sự đầu hàng của phe hoàng gia ở Oxford vào tháng 6 năm đó.

Cromwell không hề được huấn luyện bài bản về chiến lược quân sự và ông cũng chỉ sử dụng đội hình kỵ binh ba hàng rất phổ biến thời bấy giờ. Những điểm mạnh của ông nằm ở khả năng lãnh đạo, huấn luyện, kỷ luật và đạo đức của một người cầm quân với binh sĩ dưới quyền. Trong một trận đánh mà cả hai bên đều sử dụng chủ yếu là quân không chính quy, những phẩm chất này trở nên đặc biệt quan trọng và có lẽ đã đóng góp vào chiến thắng quyết định của Cromwell.[23]