Stevens var adjutant i ingeniørkorpset under den mexicansk-amerikanske krig. Han deltog i belejringen af Vera Cruz og ved Cerro Gordo, Contreras og
Churubusco. I den sidste kamp fangede han sine overordnede, som belønnede ham med brevetrangen kaptajn. Han blev igen citeret og breveted for tapperhed i Slaget ved Chapultepec, denne gang til rang af major. Stevens deltog i kamp ved Molino del Rey og i slaget om Mexico City, hvor han blev alvorligt såret. Han skrev senere en bog om sine eventyr, "Campaigns of the Rio Grande and Mexico, with Notices of the Recent Work of Major Ripley" (New York, 1851).