Несмотря на это, Розенкрансу удалось переправить армию через Теннесси и зайти в тыл противника. 7 сентября 1863 года Брэгг вынужден был оставить Чаттанугу и выступить навстречу северянам. 18 сентября, утром, к Брэггу стали прибывать подкрепления из Виргинии, и он решил дать сражение. Северяне к этому времени создали сеть мощных оборонительных укреплений к западу от ручья Чикамога. Днем 18 сентября южане переправились через этот ручей и стали развертываться для атаки. Розенкрансу пришлось принять этот вызов. Бой начался утром 19 сентября у западного берега Чикамоги, что в переводе с индейского наречия означало «Кровавая река». В сражении участвовало 57 тысяч северян и 59 тысяч южан. (Бурин С. Н. На полях сражений гражданской войны в США. М., 1988. С. 102.) Первым в атаку пошел корпус генерала Дж. Томаса, но кавалеристы Н. Форреста, спешившись с коней, отразили атаку, и сами перешли в контрнаступление. Томас бросил вперед еще две дивизии, и они начали теснить противника, но тут в сражение вступили солдаты из Виргинии. Бой был яростным и не раз переходил в рукопашный. Введя в сражение дополнительные силы, Брэгг сумел потеснить левый фланг обороны северян, несмотря на их мужественное сопротивление. Все же в первый день сражения северяне смогли устоять. В течение ночи к месту сражения подошли дополнительные части из Виргинии, и утром 20 сентября Брэгг двинул их в атаку на корпус Томаса, который стойко выдерживал все атаки (именно после этого боя Джордж Томас получил прозвище Чи-камогский Утес). Но все же после нескольких часов героического сопротивления его отряды начали отходить. Перепуганный Розенкранс начал перебрасывать войска с места на место. Объезжая позиции, он совершил роковую ошибку: увидев небольшой зазор между дивизиями Вуда и Брэннана, он приказал Буду отойти и закрыть эту «брешь». В результате передвижений дивизии Вуда образовался настоящий разрыв, в который вскоре вошли виргинские части. Сюда были брошены семь дивизий южан. 30 тысяч солдат ворвались в прорыв, и за 10–15 минут фронт северян рухнул. Дивизии ван Клеве и Брэннана были почти полностью перебиты либо взяты в плен. Многие солдаты побросали оружие и бежали. Дивизия Филиппа Шеридана и кавалерия Митчелла пытались преградить путь наступавшим южанам, но были также отброшены.

На левом фланге в это время продолжали отчаянно обороняться солдаты Томаса. Некоторые из отступавших присоединялись к ним. А рядом на небольшом холме держались истекавшие кровью остатки дивизии Брэннана. Мятежники расстреливали их почти в упор из орудий.

Розенкранс и его штаб отступали в это время к Чаттануге. Казалось, окончательный разгром армии северян неминуем. Но в это время 6-тысячный корпус генерала Г. Грэнжера, которому Розенкранс приказал находиться в резерве в двух милях от сражения, чувствуя, что творится что-то неладное, без приказа бросился на выручку и появился на поле боя в тот момент, когда солдаты Томаса (оставшиеся практически без патрон) пошли в последнюю штыковую атаку. Корпус Гренжера нанес сильный удар по правому флангу южан и привел их в замешательство, но затем они вновь пошли в атаку. Тогда Томас и Грэнжер отдали приказ примкнуть штыки и контратаковать. Эта контратака была такой стремительной, что противник обратился в бегство.

Понимая, что в целом сражение проиграно, Томас начал отводить войска с поля боя. Уже в темноте он закрепился на хребте Миссионер, а в течение 21–22 сентября разрозненные части северян собрались в Чаттануге. В двухдневном сражении у Чикамоги армия Розенкранса потеряла 16 170 человек, в том числе 1657 убитыми; южане потеряли соответственно 18 454 и 2312 человек. (Бурин С. Н. Указ. соч., с. 105.) Это было тяжелейшим ударом и для северян, и для южан, людские ресурсы которых были на исходе. Северяне, отступившие в Чаттанугу, оказались к тому же в западне: огромная армия Брэгга обложила город с трех сторон, а с четвертой город был отрезан от мира бурной Теннесси. Южане установили на господствующих высотах орудия, разместили там отряды снайперов и приступили к осаде.

Сражение у «Кровавой реки» стало одной из самых трагических страниц гражданской войны в США. Север был шокирован известиями о поражении и об огромных потерях. Общественность надеялась, что правительство предпримет срочные меры для спасения гарнизона и жителей осажденной Чаттануги.

Руководство Севера приняло срочные меры по спасению гарнизона и жителей осажденной Чаттануги. Уже 23 сентября президент А. Линкольн провел совещание, на котором было решено направить к Чаттануге 11-1 и 12-й корпуса Потомакской армии под командованием Дж. Хукера (почти 20 тысяч человек). Уже в конце сентября первые подразделения Потомакской армии стали прибывать в Бриджпорт — основную базу снабжения гарнизона и жителей Чаттануги.

В это время генерал У. Грант находился в госпитале со сломанной ногой. Он не успел еще залечить ее, как получил предложение принять командование новым огромным округом — Миссисипским. Грант согласился и первым делом сместил нерешительного и трусливого Розенкранса с поста командующего Камберлендской армией, назначив вместо него Дж. Томаса. Грант послал в Чаттанугу Томасу телеграмму с приказом держаться во что бы то ни стало.

К вечеру 23 октября Грант прибыл в Чаттанугу. Началась подготовку к прорыву осады. Уже днем 26 октября солдаты Хукера выступили в поход из Бриджпорта. Отбросив небольшие отряды южан, войска Хукера к ночи подошли к переправе Колли. В ночь на 27 октября 12 тысяч солдат Хукера (остальные 8 тысяч остались в Бриджпорте для охраны этого важного пункта) вместе с 1,5 тысячью солдат Томаса, которые приплыли из Чаттануги на 60 лодках-понтонах, стремительно атаковали охрану южан на переправе, разогнали ее и в течение часа соорудили понтонный мост. В это же время другая группа северян захватила переправу Брауна, находящуюся в излучине Теннесси.

В результате этой операции днем 27 октября в Чаттанугу вошел длинный обоз с продовольствием, обмундированием и боеприпасами. Особенно солдаты оценили крекеры, вошедшие в их рацион, поэтому они назвали открывшуюся трассу «крекерной дорогой». Брэгг пытался ликвидировать эту дорогу в ближайшую же ночь, но северяне отбили натиск южан. Открытие «крекерной дороги» означало частичное снятие блокады Чаттануги и послужило причиной перелома в населении осажденного гарнизона, не чувствовавшего себя более обреченным на длительную осаду и голодную смерть.

Готовясь к деблокированию Чаттануги, Грант изучил все укрепления города и его окрестностей, внося исправления в неточные карты. Он с нетерпением ожидал подхода армии У. Шермана, который прибыл в Бриджпорт к 15 ноября. 17-тысячная армия Шермана проделала по железным дорогам и на судах по рекам путь в 675 миль и почти без отдыха сразу же двинулась к Чаттануге.

Грант предложил Шерману оригинальней план: имитировать уход из Чаттануги в направлении Ноксвилла, а затем повернуть назад и возвратиться к Чаттануге с северо-востока, чтобы нанести мятежникам неожиданный удар. К южанам были отправлены «дезертиры» с информацией о том, что в Чаттануге царит голод и нечем кормить даже армию Шермана, которую и решено отправить в Ноксвилл. Брэгг еще до этого отправил в Ноксвилл 20-тысячный корпус, а поверив дезинформации, — еще и корпус Букнера. В результате армия Брэгга насчитывала 40 тысяч человек, в то время как у Гранта была 61 тысяча солдат Шермана, Томаса и Хукера. (Бурин С. Н. На полях сражений гражданской войны в США. М., 1988, С. 110.)