
第5軍団として最初に指定された部隊は、ナサニエル・P・バンクス指揮下で短期間編成された(バンクスの最初の指揮部隊はストーンウォール・ジャクソンのバレー方面作戦に反対し、最終的に第12軍団となった)。
V軍団としてよく知られるこの部隊は、 1862年5月18日にポトマック軍内にV軍団臨時部隊として編成され、リッチモンドを占領するための半島方面作戦に従事した。この部隊は、フィッツ・ジョン・ポーター少将率いる第3軍団第3師団と、ジョージ・サイクス少将率いるアメリカ正規軍(以前は予備役)の師団を統合して創設された。
ポーターは軍団長となり、彼の第1師団はジョージ・W・モレル准将の指揮下に置かれた。1862年7月22日、米国陸軍省がポトマック軍第5軍団として正式に認定したため、「暫定」という名称が削除された。
第5軍団は半島方面作戦中、ハノーバー・コートハウス、メカニクスビル、ゲインズ・ミル、グレンデール、マルバーン・ヒルなど、いくつかの戦闘に参加した。第7日間の戦いにおける軍団の損失は、戦死995名、負傷3,805名、捕虜または行方不明2,801名で、合計7,601名、つまり軍全体の損失の半分であった。これらの死傷者のうち、6,837名はゲインズ・ミルで発生し、残りはメカニクスビル、グレンデール、マルバーン・ヒルで発生した。第5軍団は6月14日にジョージ・A・マッコールのペンシルベニア予備軍師団によって一時的に増強され、その中には後にスターとなるジョン・F・レイノルズとジョージ・G・ミードが含まれていた。この軍団は特にゲインズミルで勇敢に戦った。そこではポーターが指揮する北軍は第5軍団と第6軍団のヘンリー・W・スローカム第1師団のみで構成され、南軍のほぼ全北バージニア軍と戦った。半島方面作戦の後、ペンシルベニア予備軍はマクドウェル軍団に戻った。
ジョージ・マクレランは第5軍団を特に高く評価しており、フィッツ=ジョン・ポーターが彼の親しい友人であったこともあり、他の軍が模範とすべき部隊としてしばしば称賛していた。軍団の将官は全員ウェストポイント陸軍士官学校出身者で、政治任用者や非専門家は含まれていなかった。正規軍部隊の存在は、他の軍団よりも第5軍団にプロフェッショナルな雰囲気を醸し出し、規律と訓練は概してより厳格であった。さらに、陸軍砲兵予備隊もこの軍団に配属されていた。

第5軍団は第二次ブルランの戦いで戦闘に参加し、北軍の左翼で戦った。小規模な同軍団の損害は、戦死331名、負傷1,364名、行方不明456名で、約6,500名が戦闘に参加し、合計2,151名であった。同軍団の6個旅団のうち2個旅団は戦闘に参加せず、ジョージ・モレルは一時的に離脱し、彼の師団はダニエル・バターフィールド准将の指揮下にあった。グーヴァヌール・K・ウォーレン指揮下の2個連隊からなる1個旅団は、北軍左翼への南軍の攻撃に対して無益な抵抗を試みた。
この軍団はアンティータムの戦いで軽微な戦闘にしか参加しなかった。モレル師団は全く戦闘に参加しなかったが、正規師団の一部は戦闘に参加し、戦闘中に軍の戦線の様々な穴を埋めるために投入された。アンドリュー・A・ハンフリーズ准将率いる9ヶ月連隊からなる新師団が配属されていたが、到着したのは戦闘終了後だった。
アンティータムの戦いの後、フィッツ=ジョン・ポーターは第二次ブルランの戦いでの命令不服従を理由に軍法会議にかけられた。ポーター自身に非はなかったものの、ジョン・ポープは彼を敗北のスケープゴートに選び、ポーターのキャリアはあっという間に崩壊した。第1師団司令官のジョージ・モレルも、軍法会議でポーターを擁護する証言をしたため、職を失った(ポーター裁判後、陸軍省は長らく第5軍団の将校の昇進に消極的だった)。
新たに任命されたアンブローズ・E・バーンサイド少将によるポトマック軍の再編において、第5軍団はジョセフ・フッカー指揮下の中央「大師団」の第3軍団と合流した。ダニエル・バターフィールド少将はポーターに代わってフレデリックスバーグの戦いで第5軍団を指揮し、チャールズ・グリフィン、サイクス、ハンフリーズの各将軍が3個師団を指揮した。グリフィンとハンフリーズはメアリーズ・ハイツへの壊滅的な攻撃に参加し、サイクスの正規兵は日没後に前進し、野で夜を明かした。正規兵は14日の昼間に戦線北端のタンナリー周辺で激しい戦闘を繰り広げた。死傷者は206名、負傷者は1,669名、行方不明者は300名で、合計2,175名であった。
春にフッカーがポトマック軍の指揮を執ると、彼は「大師団」を廃止し、バターフィールドを参謀長に任命した。第1軍団第3師団を以前指揮していたジョージ・G・ミード少将が第5軍団の指揮を執ることになった。この時、各軍団にシンボルが与えられ、第5軍団はマルタ十字の直線的な変形であるパティー十字を使用した。

第5軍団はチャンセラーズビルでは大きな戦闘には参加しなかったが、その後まもなく第3師団の兵士全員が兵役期間満了となり帰郷した。ロバート・E・リー率いる北バージニア軍が北部に侵攻する中、サミュエル・W・クロフォード准将 率いるペンシルベニア予備旅団2個からなる別の師団が速やかに合流した。

ジョージ・サイクスは1863年6月28日に第5軍団の指揮を執り、ジョージ・ミードはポトマック軍の指揮官に昇進した。軍団は7月2日にゲティスバーグ戦場の東端に到着した。彼らは小麦畑での戦闘で名を馳せたが、ストロング・ヴィンセント大佐率いる第1師団第3旅団の行動で最も有名になった。旅団はすぐにリトル・ラウンド・トップ、北軍戦線の左端にあるほとんど裸の丘を占拠するために進軍した。南軍のジェームズ・ロングストリート率いる第1軍団の猛烈な攻撃に対し、ヴィンセントの旅団は丘を守り、北軍が側面攻撃を受けるのを防いだ。この場面は、マイケル・シャーラの小説『キラー・エンジェルズ』(1974年)と、同小説を原作とした映画『ゲティスバーグ』 (1993年)で描かれており、ジョシュア・ローレンス・チェンバレン大佐の指揮下にある最左翼の第20メイン連隊に焦点を当てている。ジェームズ・バーンズ率いる第1師団と、ロメイン・エアーズ率いる正規師団(主にアメリカ陸軍歩兵)は、いずれもこの戦闘で甚大な損害を被った(正規兵の死傷者は約50%に達した)。チャールズ・グリフィンは作戦中に病に倒れ、作戦終了後に師団指揮官として復帰した。対照的に、クロフォード率いるペンシルベニア予備軍は比較的軽微な戦闘にとどまった。
第5軍団はゲティスバーグで2人の将軍、スティーブン・H・ウィード准将とストロング・ヴィンセント准将(ヴィンセント准将はリトル・ラウンド・トップでの英雄的な活躍により、死の直前に急昇進した)の戦死を経験した。同軍団は1863年の秋の作戦ではほとんど戦闘を経験しなかった。ブリストー駅の戦い(1863年10月14日)で、第5軍団はA・P・ヒルの部隊から砲撃を受けた。これによりヒルは第2軍団の到着を妨げられた。これにより第5軍団を指揮していたグーヴァヌール・K・ウォーレンは有利な位置を確保し、ヒルの軍団に敗北を喫することができた。

1864年3月、ユリシーズ・S・グラント中将が北軍全軍の指揮を執るようになったため、第5軍団は全軍とともに再編成された。第1師団と第2師団は統合され、グリフィン将軍指揮下の第1師団となった。クロフォード将軍率いるペンシルバニア第3師団は、数週間後に除隊予定であったものの、変更はなかった。第1軍団は、第2師団と第4師団として第5軍団に統合され、それぞれジョン・C・ロビンソン将軍とジェームズ・S・ワズワース将軍が指揮を執った。ジョージ・サイクスは、軍医部長から重度の坐骨神経痛と診断されたため、指揮官を解任された。後任には、ゲティスバーグの戦いで陸軍の主任技師を務めていたガバヌール・ウォーレンが就任した。
ウィルダネスの戦いの時点で、軍団には25,000人以上の兵士がいた。1864年5月のスポッツィルバニア・コートハウスの戦いの終結後、10,000人以上が死傷した。ワズワース将軍はウィルダネスで戦死し、ロビンソンはスポッツィルバニアで重傷を負い(片足を失った)。彼の師団は解体され、一時的に第5軍団の他の師団に分散された。ワズワースの師団はアイアン旅団の司令官であるライサンダー・カトラー将軍の指揮下に入った。
V 軍団は6 月にコールド ハーバーとピーターズバーグの包囲戦で激しい戦闘を経験した。多くの兵士が1864 年 8 月 19 日の第二次ウェルドン鉄道の戦いで捕虜となった。カトラー師団はこれらの戦闘後に解体された。この時点で残りの 3 個師団はグリフィン、エアーズ、クロフォードの各将軍によって指揮され、戦争終結までその地位に留まった。グリフィン師団は最終的に旧 V 軍団の残りの連隊のほとんどと新たに編成された部隊で構成されていた。エアーズは新しい連隊とメリーランド州兵の旅団を含むいくつかのベテラン部隊を率いていた。彼が指揮していた正規師団は甚大な損害のため解散され、もはや存在しなかった。旧 I 軍団の残りはクロフォードの指揮下にあった。これらの師団はピーブルズ農場の戦い(1864 年 9 月 30 日) に参加した。
1865年3月31日までに、第5軍団の兵力は1万7000人にまで減少し、リー将軍がアポマトックス・コートハウスで降伏するまでにさらに2000人を失うことになる。ファイブ・フォークスの戦いの後、戦争の終結が文字通り数日後に迫る中、ウォーレン将軍はフィリップ・シェリダン少将によって指揮権を解任された。シェリダン少将は、ウォーレン将軍が敵を積極的に追撃しなかったことに不満を抱いていた(ウォーレンは残りの人生を名誉回復に費やした)。ウォーレンの後任にはグリフィンが就任し、軍団を率いてリー軍を追撃した。軍団はアポマトックス・コートハウスに到着し、南軍の突破を試みようとするシェリダン騎兵隊を支援した。軍団は1865年6月28日に正式に解散した。