Drie dagen later ontmoetten de twee legers, geleid door Lee en McClellan, elkaar opnieuw op 17 september 1862, tussen Antietam Creek en de stad Sharpsburg, Maryland. De Slag bij Antietam, ook wel de Slag bij Sharpsburg genoemd, was niet alleen de bloedigste dag van de Amerikaanse Burgeroorlog, het was ook de bloedigste dag in de Amerikaanse geschiedenis. De Geconfedereerde troepen namen verdedigingsposities in achter Antietam Creek. Op dit punt besloot McClellan aan te vallen.
Bij dageraad op 17 september vielen soldaten van de Unie onder leiding van generaal-majoor Joseph Hooker de troepen van Lee vanaf hun linkerzijde aan. Terwijl de twee legers elkaar bestreden, verspreidde de strijd zich over een plaatselijk korenveld en rond de Dunker kerk. De troepen van de Unie bleven de Confederaten bij de Verzonken Weg aanvallen. Ze waren in staat om door het midden van de geconfedereerde linies te breken.
In de late namiddag kwamen meer soldaten van de Unie, geleid door generaal-majoor Ambrose Burnside, in de strijd. Zij veroverden een stenen brug over Antietam Creek en trokken op naar de rechterflank van de Geconfedereerde troepen. Maar terwijl Burnside's soldaten aanvielen, kwamen er meer geconfedereerde soldaten aan. De geconfedereerde generaal-majoor A.P. Hill had zijn divisie soldaten van Harpers Ferry naar Antietam geleid. Toen Hill's divisie arriveerde, waren zij in staat om een tegenaanval in te zetten (terug te vechten tegen Burnside's soldaten). Dit was een verrassing voor de Unie troepen, en de verrassing werkte goed. De geconfedereerde troepen dreven Burnside's soldaten terug en beëindigden de slag. Hoewel hij meer soldaten had, was McClellan niet in staat om Lee's leger te vernietigen. Lee was in staat zijn troepen te verplaatsen om aan elk van McClellan's aanvallen te kunnen voldoen. McClellan riep ook niet zijn vele reservetroepen (soldaten die stand-by stonden) op, die hadden kunnen helpen om de successen van de Unie uit te bouwen.