1963-1964年前往地中海执行了第二和第三次部署行动，第三次前往地中海的部署行动也是执行海轨行动（Operation Sea Orbit）的一个部分。企业号随同长滩号核动力导弹巡洋舰（USS Long Beach, CGN-9）和班布里奇号核动力巡洋舰（USS Bainbridge, CGN-25）在海轨行动中完成了在无燃料补给条件下的世界首次核动力环球航行。1964年2月25日，企业号回应当时位于希腊绍达湾（Souda bay）附近的一艘芬兰商船弗娜·保林号（SS Verna Paulin）的救援请求，通过直升机将一名外科医生运送至这艘芬兰商船上，救治了商船上的一位受伤船员。1964年10月返回纽波特纽斯造船及船坞公司进行首次燃料补充和整修。