Вскоре родители сочли, что наиболее приемлемой для старшего сына будет военная карьера, с чем он согласился. По просьбе отца член Палаты представителей от Огайо Томас Хеймер рекомендовал 16-летнего Улисса в Военную академию в Вест-Пойнте. Успешно сдав вступительные экзамены, он был зачислен на курс в июле 1839 г. и проучился четыре года. Правда, вначале он был разочарован тем, что в академии учили теоретическим предметам, а тренировки, практические занятия, в частности связанные с верховой ездой, не считались главными. Однако постепенно Улисс приспособился к военной подготовке и отказался от намерения покинуть академию после первого года обучения, о чем подумывал вначале.
Он так и остался посредственным кадетом, однако то ли изменения в расписании занятий на старших курсах, то ли занятия в свободное время, а скорее всего и то, и другое, привлекли внимание преподавателей. Грант оказался самым способным наездником, легко выигрывал соревнования, связанные с конным спортом и тактикой кавалерии. На выпускной церемонии Улисс грациозно проскакал на огромном коне, выполняя разнообразные акробатические упражнения, в том числе с холодным и огнестрельным оружием. Он произвел впечатление на присутствовавшего здесь генерала Уинфилда Скотта.
По окончании академии (ему было присвоено звание 2-го лейтенанта) Грант изъявил желание служить офицером в кавалерии, но свободных мест в небольшой армии не оказалось. От назначения в пехоту он отказался — военная служба по окончании академии не была обязательной. Имея в виду, что во время обучения ему легко давались математические предметы, Улисс решил пожертвовать военной карьерой и стать учителем математики. В то же время он считал необходимой службу в Национальной гвардии.
Во время одного из сборов национальных гвардейцев в районе Сент-Луиса в 1844 г. он познакомился с сестрой своего товарища по Вест-Пойнту Джулией Дент. Молодые люди полюбили друг друга. В августе 1848 г. состоялась скромная свадьба. Не обошлось без семейных трудностей. Имея в виду, что родители Джулии имели рабов, отец Улисса отказался приехать на свадьбу. Правда, после этого родители мужа благосклонно приняли молодых в своем доме в Огайо и сочли Джулию членом своего семейства. После бракосочетания Грант все же стал служить в армии, так как офицерское жалованье было надежным доходом и позволяло содержать семью, в которой со временем родились четверо детей — трое сыновей и дочь. Несмотря на нежелание идти в пехоту, ему пришлось нести службу именно в пехотных частях в Детройте, затем в штате Нью-Йорк и, наконец, в Калифорнии.
Когда в 1846 г. началась война с Мексикой, Грант служил в Луизиане, а затем был переведен на западный берег. В мае 1846 г. часть, которой командовал Грант, впервые вступила в бой в районе Пало-Алто. В связи с тем что он проявил себя как храбрый и находчивый командир, было, наконец, удовлетворено его желание перейти в кавалерию. В боях в районе Ресака, а затем Монтерея он вновь проявил мужество и способности хладнокровно руководить боевыми действиями своего полка. В следующие месяцы он участвовал в наступлении на столицу Мексики, проявляя инициативу в каждом бою. Ему были присвоены одно за другим звания 1-го лейтенанта, а затем капитана. Если доверять его написанным через много лет мемуарам, Грант, послушно выполняя приказы начальства и проявляя тактическую инициативу, относился отрицательно к войне против Мексики в принципе, считая, что она ведет к укреплению рабовладельческой системы в США и носит несправедливый характер.
По окончании войны продолжалась служба в Калифорнии, которая все менее удовлетворяла капитана. У него происходили столкновения со старшими офицерами. Нередко он позволял себе лишнюю порцию виски, за что получал замечания от старших офицеров. После одного из столкновений с командиром полка, которое чуть не завершилось дракой (Грант назвал его тираном), не видя перспектив продвижения по службе, Грант в 1854 г. подал рапорт об увольнении в отставку. Дурному настроению способствовало и то, что он доверчиво отнесся к некому заезжему авантюристу, которому отдал значительную по тому времени сумму в полторы тысячи долларов якобы для вложения в какой-то бизнес. Отсутствие бдительности и доверчивое отношение к нечестным дельцам будет характерно для Гранта и в следующие годы, в том числе во время президентства.