A ce moment du siège, l'armée de Lee avait renforcé la ligne de Petersburg. Ils ont creusé des cuirasses dans les trous à fusils. La nuit, à l'aide d'une pelle et d'un pic, ils les ont transformés en tranchées de 1,8 m de profondeur. Des piquets pointus tournés vers l'extérieur étaient conçus pour briser toute attaque frontale. La zone entre les deux lignes est devenue un no man's land. L'été de cette année-là fut chaud et sec. Les cours d'eau et les sources s'asséchaient rapidement, entraînant une pénurie d'eau des deux côtés. Le siège devenait rapidement une impasse.
Le 48e régiment de Pennsylvanie s'est retranché dans une partie de la ligne de l'Union qui n'était qu'à 150 m de la ligne confédérée. Ils se trouvaient sous le sommet d'une crête et une partie de leurs lignes ne pouvaient être vues par les Confédérés, bloqués par le terrain. Le 48e régiment de Pennsylvanie était composé de mineurs de charbon d'anthracite. Leur commandant entendit ses hommes dire : "Nous pourrions faire sauter ce maudit fort si nous pouvions faire passer un puits de mine en dessous !" Il transmit l'idée à Burnside qui accepta et le creusement commença le 25 juin. Les Confédérés sur la crête ont commencé à entendre le bruit des pioches et des pelles sous eux. Ils ont creusé plusieurs puits d'écoute. Mais lorsque les bruits de creusement cessèrent le 23 juillet, ils cessèrent de chercher et écartèrent tout danger de l'exploitation minière. Dans l'après-midi du 28 juillet, les explosifs étaient prêts. La quatrième division de Burnside, dont neuf régiments de troupes afro-américaines, fut entraînée à contourner le cratère que l'explosion allait provoquer et à attaquer immédiatement après l'explosion. Il s'agissait de troupes fraîches et leur moral était bon. À la dernière minute, le plan de Burnside fut modifié par son commandant, le général Meade, pour envoyer des troupes blanches. Meade a déclaré qu'il ne voulait pas être responsable du "massacre" des troupes de couleur.
Juste avant 5 heures du matin, l'explosion a fait sauter une batterie d'artillerie confédérée et la plupart d'un régiment d'infanterie. L'explosion a tué au moins 278 Confédérés instantanément. Le cratère causé par l'explosion mesurait plus de 52 m de long, 18 m de large et 9,1 m de profondeur. Après l'explosion, les troupes de l'Union non entraînées ont mis du temps à quitter leurs tranchées. Au lieu d'éviter le cratère, elles ont foncé droit dessus. Les parois du cratère exposaient de l'argile rouge, ce qui les rendait trop glissantes pour en sortir. Les Confédérés se remettent rapidement et commencent à tirer directement sur les troupes de l'Union qui ne sont pas protégées. Pour tenter de sauver la situation, après quatre heures de combat, Burnside ordonna aux troupes noires d'attaquer. A ce stade, ils ne pouvaient que suivre les soldats blancs dans le cratère. Ils ont dû passer de force devant les troupes blanches mortes, blessées et démoralisées pour entrer dans le combat. Alors que d'autres Confédérés se joignaient à eux, ils ont organisé un énorme tir croisé dans le cratère. Des obus de mortier ont été largués sur les troupes de l'Union et les canons confédérés ont été roulés jusqu'au bord et ont tiré des coups de canon sur les soldats piégés dans le cratère. La situation s'est rapidement transformée d'une bataille à sens unique en une émeute raciale. Alors que les soldats de l'Union se rendaient, les soldats noirs n'ont pas eu droit à un quartier. Ceux qui ont été autorisés à se rendre ont été assassinés par les troupes confédérées alors qu'ils marchaient vers l'arrière. Certains Confédérés ont plus tard regretté de ne pas avoir pu les tuer assez vite, car quelques troupes noires sont arrivées vivantes à l'arrière.
Les combats ont duré huit heures et demie. Le IXe Corps de Burnside a subi 3 800 pertes. L'armée de Lee a perdu environ 1 500 hommes qui ont été tués, blessés ou portés disparus. Mais les troupes noires ont perdu 1 327 hommes, dont 450 se sont rendus. La plupart d'entre eux ont été assassinés par des soldats confédérés alors qu'ils marchaient vers l'arrière sous bonne garde. L'échec et l'horreur de ce qui s'est passé lors de la bataille du cratère ont fait que Burnside a été relevé de son commandement. Il fut mis en congé pour une durée indéterminée, sans ordre de retour au travail. Cela mit effectivement fin à sa carrière militaire. Il démissionne de l'armée moins de neuf mois plus tard, le 15 avril 1865.