El norteño Ejército de Potomac, con 90,000 uniformados, persiguió a los confederados en Maryland, pero su comandante, el general Joseph Hooker, seguía lamiéndose sus heridas tras su derrota en Chancellorsville y se mostraba reacio a seguir persiguiendo a Lee. Mientras tanto, los confederados dividieron sus fuerzas y analizaron varios objetivos, incluyendo Harrisburg, la capital estatal de Pensilvania.
El 28 de junio, el Presidente Abraham Lincoln reemplazó a Hooker con el General George Meade. Lee, al enterarse que el Ejército del Potomac se encontraba en Maryland, ordenó a su ejército concentrarse en las cercanías de la ciudad de Gettysburg y prepararse para enfrentar allí al ejército federal. Al mismo tiempo, Meade adelantó parte de su fuerza a Pensilvania su plan era presentar batalla en Pipe Creek, Maryland.
El 1 de julio, una división confederada bajo el general Henry Heth marchó a Gettysburg en busca de provisiones donde se topó con tres brigadas de la caballería de la unión. Así comenzó la Batalla de Gettysburg.
Lee y Meade ordenaron una concentración en el área de sus masivos ejércitos. La caballería de la Unión defendió su posición contra una fuerza muy superior hasta que llegaron refuerzos federales. Más tarde, los Confederados fueron reforzados, y a mediados de la tarde unos 19,000 Federales enfrentaban 24,000 Confederados.
Lee llegó al campo de batalla poco después y ordenó un avance general que obligó a la línea de la Unión a recular a Cemetery Hill, justo al sur de la ciudad.
Durante la noche, llegó al campo de batalla el resto de la fuerza de Meade y al amanecer las tropas norteñas del General Winfield Hancock habían formado una línea Union sólida. El 2 de julio, el general James Longstreet lideró el principal ataque confederado, contra el flanco izquierdo de la Unión, pero no comenzó sino hasta las 4 de la madrugada. Durante ese tiempo, el ejército federal tuvo suficiente tiempo para consolidar sus posiciones. Así comenzó una de los choques más intensos de la batalla, y las fuerzas de la Unión defendieron sus posiciones estratégicas pagando un alto costo. La batalla terminó al cabo de tres horas para entonces el número total de muertos en Gettysburg había alcanzado 35,000.
El 3 de julio, Lee planeó un asalto frontal al centro del ejército de Meade. Desplegó una columna de unos 15,000 hombres bajo el general George Pickett. Para ablandar las posiciones de la Unión, Lee ordenó un bombardeo, al cual respondieron los artilleros norteños, participando durante más de una hora en el duelo de cañonazos más brutal de la Guerra Civil.
A las 3 de la madrugada, la fuerza de Picket desplegada contra las posiciones del norte encontró que el bombardeo de Lee había fracasado. La fuerza de Pickett intentó cruzar una distancia de milla y media entre las posiciones enemigas pero la artillería de la unión produjo devastadores daños en sus filas. Al mismo tiempo, la infantería norteña flanqueó el grueso de las tropas de Pickett con resultados terribles. Solo unas centenas de sureños alcanzaron a llegar a las posiciones de la Unión, y en pocos minutos todos estaban muertos, muriendo o habían sido capturados. En menos de una hora, más de 7,000 soldados confederados habían caído.
Agotados, ambos ejércitos mantuvieron sus posiciones hasta la noche del 4 de julio, cuando Lee se retiró. El ejército del Potomac no estaba en posición de perseguir a los Confederados, y Lee sacó su ejército del Norte, para jamás volver a invadirlo. La batalla de Gettysburg fue el punto de inflexión en la Guerra Civil, costándole a la Unión 23,000 entre muertos, heridos o desaparecidos en acción. Los Confederados sufrieron unas 25,000 bajas. El 19 de noviembre de 1863, el Presidente Lincoln pronunció su famoso Discurso de Gettysburg durante la dedicación de un nuevo cementerio nacional en el sitio de la Batalla de Gettysburg.
La Guerra Civil terminó efectivamente con la rendición del Ejército del General Lee de Virginia del Norte en abril de 1865.