Trois jours plus tard, les deux armées, dirigées par Lee et McClellan, se rencontrent à nouveau le 17 septembre 1862, entre Antietam Creek et la ville de Sharpsburg, dans le Maryland. La bataille d'Antietam, également appelée la bataille de Sharpsburg, n'a pas seulement été le jour le plus sanglant de la guerre de Sécession américaine, elle a été le jour le plus sanglant de l'histoire américaine. Les troupes confédérées ont pris des positions défensives derrière Antietam Creek. C'est à ce moment que McClellan décida d'attaquer.
A l'aube du 17 septembre, les soldats de l'Union, menés par le général de division Joseph Hooker, ont attaqué les troupes de Lee par la gauche. Alors que les deux armées s'affrontaient, les combats se sont étendus à travers un champ de maïs local et autour de l'église Dunker. Les troupes de l'Union ont continué à attaquer les Confédérés à la route du Coulé. Elles ont réussi à percer le centre des lignes confédérées.
Tard dans l'après-midi, d'autres soldats de l'Union, menés par le général Ambrose Burnside, sont entrés dans le combat. Ils ont pris un pont de pierre au-dessus du ruisseau Antietam et se sont dirigés vers le côté droit des troupes confédérées. Mais alors que les soldats de Burnside attaquaient, d'autres soldats confédérés arrivèrent. Le major général confédéré A.P. Hill avait mené sa division de soldats de Harpers Ferry à Antietam. Une fois la division de Hill arrivée, ils furent capables de contre-attaquer (se battre contre les soldats de Burnside). Ce fut une surprise pour les troupes de l'Union, et la surprise a bien fonctionné. Les troupes confédérées ont repoussé les soldats de Burnside et ont mis fin à la bataille. Même s'il avait plus de soldats, McClellan n'a pas réussi à détruire l'armée de Lee. Lee a pu déplacer ses troupes pour répondre à chacune des attaques de McClellan. McClellan n'a pas non plus fait appel à ses nombreuses forces de réserve (soldats en attente) qui auraient pu contribuer à consolider les succès de l'Union.