7 февраля 1963 г. «Энтерпрайз» в сопровождении атомного фрегата УРО «Бейнбридж» (Bainbridge, DLGN-25) вышел в море и снова направился в Средиземное море, теперь уже на свою первую полноценную боевую службу (БС). В Средиземке он сменил патрулировавшую там авианосную группу во главе с АВ «Форрестол». За время похода, завершившегося 4 сентября 1963 г., корабль принял участие в многочисленных учениях и совершил несколько заходов в порты иностранных государств. А вскоре, 6 февраля 1964 года, атомоход в третий раз отправился в район Средиземного моря, на этот раз на смену ударному АВ «Индепенденс» (Independence, CVA-62). Причем во время последнего, а именно 13 мая 1964 г., впервые в истории была сформирована оперативная группа исключительно из кораблей с атомными энергетическими установками (АЭУ). В нее вошли «Энтерпрайз», атомный крейсер УРО «Лонг Бич» (Long Beach, CGN-9) и атомный фрегат УРО «Бейнбридж», переклассифицированный позднее в атомный крейсер УРО (CGN-25).
Первой задачей, возложенной на это соединение, стала практическая проверка работоспособности новейшей боевой информационно-управляющей системы, аппаратура которой была установлена на «Энтерпрайзе» и на «Лонг Биче».
31 июля того же года соединение получило обозначение Оперативная группа № 1 (Task Force One) и, пройдя Гибралтар, направилось, без преувеличения, в историческое кругосветное плавание, получившее кодовое обозначение «Морская орбита» (Operation Sea Orbit). За время похода, длившегося 65 суток, корабли прошли 30216 миль без какого-либо пополнения запасов (по некоторым другим данным, плавание длилось 64 дня, за которые было пройдено около 32600 миль). Группа совершила по пути заходы в порты нескольких государств. Авиагруппа «Энтерпрайза» тоже не сидела сложа руки: за время плавания было совершено 1590 самолето-вылетов с общим налетом в 2372 часа, в процессе боевой подготовки было израсходовано 240 бомб, 2766 реактивных снарядов и около 12500 снарядов калибра 20 мм. Таким образом, реально была доказана способность кораблей с АЭУ автономно совершать длительные и дальние переходы.
В октябре 1964 г. «Большой Э» вернулся в свою «колыбель» — компанию «Ньюпорт ньюс шипбилдинг энд драй док компани» — для совершения первых текущего ремонта и «дозаправки» АЭУ. Благодаря стремительному развитию атомной энергетики установка новой активной зоны обошлась ВМС намного дешевле и должна была прослужить не менее 13 лет. Кроме того, в состав ГЭУ был добавлен один паровой котел для обеспечения корабля светом, паром и обеспечения работы корабельной вентиляционной системы в те периоды, когда реакторы заглушены.
