Роузкранс, воодушевленный успехом своей стратегии, полагал, что Брэгг отступает в южном направлении. Стремясь нанести конфедератам решающий удар, он приказал начать преследование; для этого ему нужно было перейти горы по нескольким, расположенным далеко один от другого, перевалам, и он распорядился разделить корпуса и дивизии. Однако у Брэгга не было и малейшего намерения отступать. Напротив, он решил напасть на противника. Его движение поставило Роузкранса в опасное положение и, как он позже писал, «сосредоточение армии стало вопросом жизни и смерти». В течение почти недели он прилагал к этому невероятные усилия, в результате которых 18 сентября армия вновь сосредоточилась, хотя и не без неудач. Недосып, опасение, что Брэгг может разгромить по отдельности его разрозненные части (сейчас некоторые полагают, что у генерала конфедератов была такая возможность), две ночи чрезвычайной тревоги за безопасность одного из его корпусов, – все это вместе лишило присутствия духа командующего армией Союза, который, по мнению его подчиненных, оказался «разбит» еще до того, как вступил в сражение, которое ему собирался навязать генерал конфедератов. Брэгг получил подкрепление в виде частей армии Джонстона, освободившихся после падения Виксберга, корпуса Бакнера из Ноксвилла и корпуса Лонгстрита из армии Северной Виргинии. Численно он уже превосходил оппонента и 19 сентября начал нерешительное наступление.
На следующий день произошло яростное и кровопролитное сражение при Чикамоге, «великое сражение на Западе». Оно могло бы закончиться ничейным исходом или победой армии Союза, поскольку оборонительная позиция и полевые укрепления компенсировали неравенство в живой силе, если бы у Роузкранса хватило самообладания. В его распоряжении была Камберлендская армия – опытные, бесстрашные воины, которые, как показывает история, при надлежащем руководстве были способны творить чудеса, но в данном случае приказы, исходящие от командования, вынуждали их к неоправданным жертвам, что, безусловно, не могло не подорвать боевой дух. Сражение шло с переменным успехом, но выполнение плохо продуманного и неудачного приказа командующего создало брешь в линии фронта, в которую ринулись конфедераты и, приведя в замешательство две дивизии и разгромив две другие, обратили солдат в паническое бегство. Роузкранс оказался в гуще отступающих и, опасаясь, что армия разбита наголову, поспешил в Чаттанугу, до которой было двенадцать-пятнадцать миль, чтобы принять меры для обороны города. Оттуда в пять вечера он отправил донесение Халлеку: «У нас серьезная катастрофа… Противник подавил нас, оттеснил справа, пробил по центру, рассеял войска». Генерал Джордж Г. Томас командовал левым крылом армии; со своими 25 000 он всю вторую половину дня отбивал атаки противника, вдвое превосходившего его в численности, и удерживал свои позиции с такой надежностью, что заслужил прозвание «Чикамогский утес». Позже, по приказу Роузкранса, Томас отступил к Чаттануге, где собирались остатки армии; город к этому времени был укреплен так, что взять его можно было только с помощью планомерной осады; к этому Брэгг немедленно и приступил.
Перед сражением у Чикамоги Гранту было направлено распоряжение перебросить подкрепление Роузкрансу от Виксберга, но потребовалась неделя, чтобы депеши дошли до него; две дивизии были уже в пути, две другие готовились отправиться следом. Всеми ими командовал Шерман. Но сообщение об этом еще не дошло до Вашингтона. Телеграммы от Роузкранса президенту и от Даны Стэнтону, в которых говорилось о необходимости срочной помощи, чтобы удержать Чаттанугу и линию Теннесси, были получены поздно вечером 23 сентября; Стэнтон, осознав необходимость срочных действий, созвал полуночное совещание. Линкольн, которому Джон Хэй доставил приглашение в летнюю резиденцию – «Солдатский дом», оседлал коня и лунной ночью поскакал в военное министерство, где, помимо министра и троих его подчиненных, находились Халлек, Сьюард и Чейз. Стэнтон предложил направить войска в Чаттанугу из Потомакской армии; президент и Халлек поначалу были против, но ему при поддержке Сьюарда и Чейза удалось их переубедить. В итоге решили, что если Мид не намерен выступать немедленно, то Роузкрансу следует отправить Одиннадцатый и Двенадцатый корпуса под командованием Хукера. После консультации с Мидом эти 16 000 бойцов были переброшены из Калпепер-Корт-Хаус (Виргиния) в Вашингтон по железной дороге, далее по железной дороге «Балтимор – Огайо» через Беллэйр, Колумбус, Индианаполис, Луисвилл и Нашвилл достигли реки Теннесси. Время передислокации – шесть суток для основной части войск – блестящее для того периода.