Trei zile mai târziu, cele două armate, conduse de Lee și McClellan, s-au întâlnit din nou la 17 septembrie 1862, între Antietam Creek și orașul Sharpsburg, Maryland. Bătălia de la Antietam, numită și Bătălia de la Sharpsburg, nu a fost doar cea mai sângeroasă zi a Războiului Civil American, ci și cea mai sângeroasă zi din istoria Americii. Trupele confederate au ocupat poziții defensive în spatele Antietam Creek. În acest moment, McClellan a decis să atace.
În zorii zilei de 17 septembrie, soldații Uniunii conduși de generalul-maior Joseph Hooker au atacat trupele lui Lee din stânga acestora. În timp ce cele două armate se luptau între ele, luptele s-au extins pe un câmp de porumb din zonă și în jurul bisericii Dunker. Trupele Uniunii au continuat să îi atace pe confederați la Sunken Road. Au reușit să străpungă centrul liniilor confederate.
La sfârșitul după-amiezii, mai mulți soldați ai Uniunii, conduși de generalul-maior Ambrose Burnside, au intrat în luptă. Aceștia au capturat un pod de piatră peste Antietam Creek și s-au îndreptat spre partea dreaptă a trupelor confederate. Dar, în timp ce soldații lui Burnside atacau, au sosit și mai mulți soldați confederați. Generalul-maior confederat A.P. Hill își condusese divizia de soldați de la Harpers Ferry la Antietam. Odată ce a sosit divizia lui Hill, aceștia au putut contraataca (să riposteze împotriva soldaților lui Burnside). Aceasta a fost o surpriză pentru trupele Uniunii, iar surpriza a funcționat bine. Trupele confederate i-au alungat pe soldații lui Burnside și au pus capăt bătăliei. Chiar dacă avea mai mulți soldați, McClellan nu a reușit să distrugă armata lui Lee. Lee a reușit să își schimbe trupele pentru a face față fiecărui atac al lui McClellan. De asemenea, McClellan nu a apelat la numeroasele sale forțe de rezervă (soldați în așteptare) care ar fi putut contribui la consolidarea succeselor Uniunii.