Đến mùa xuân năm 1862, sự hồ hởi của miền Nam sau trận Bull Run thứ nhất đã suy sụp nhanh chóng, với những thành công bước đầu của quân miền Bắc tại Mặt trận miền Tây, như ở đồn Donelson và Shiloh. Lực lượng hùng hậu của binh đoàn Potomac dưới trướng George B. McClellan đang tiến đến Richmond từ phía đông nam trong chiến dịch Bán đảo, quân đoàn to lớn của thiếu tướng Irvin McDowell đã sẵn sàng tấn công Richmond từ hướng bắc, và đội quân dưới quyền thiếu tướng Nathaniel P. Banks đang đe doạ khu vực nông nghiệp trù phú ở vùng Thung lũng Shenandoah. Người cứu vãn tình hình này cho phe miền Nam là thiếu tướng Thomas J. "Stonewall" Jackson (biệt hiệu "Stonewall"-"Bức tường đá" ông có được sau trận Bull Run thứ nhất). Quân đội của ông, gọi là Quận Thung lũng thuộc Cục Bắc Virginia, gồm có lữ đoàn Stonewall, Binh đoàn Tây Bắc và nhiều đơn vị dân quân vùng Thung lũng. Trong khi Banks còn ở trên bờ bắc sông Potomac, chỉ huy kỵ binh của Jackson, đại tá Turner Ashby thuộc Trung đoàn Kỵ binh Virginia số 7, đã bất ngờ tập kích vào kênh đào Chesapeake và Ohio và đường sắt Baltimore và Ohio.[12]

Banks phản ứng lại bằng cách vượt sông Potomac vào cuối tháng 2 và tiến xuống phía nam để bảo vệ kênh đào và các đường xe lửa trước Ashby. Đội quân của Jackson vốn hoạt động như cánh trái trong quân đội của Đại tướng Joseph E. Johnston, và khi Johnston rời Manassas đến Culpeper trong tháng 3, Jackson rơi vào tình trạng bị cô lập ở Winchester. Ngày 12 tháng 3, Banks tiếp tục tiến quân về phía tây nam và chiếm Winchester. Jackson rút lui về Strasburg rồi về Mount Jackson, Virginia. Mệnh lệnh được giao cho Banks, một phần trong chiến lược tổng thể của McClellan, là tiến sâu hơn nữa về phía nam và đuổi Jackson ra khỏi Thung lũng. Sau khi hoàn tất mục tiêu này, ông ta sẽ rút quân về khu vực lân cận Washington. Một lực lượng tiến công hùng hậu đã khởi hành từ Winchester xuống phía nam ngày 17 tháng 3, và cùng thời gian đó McClellan cũng bắt đầu cuộc đổ bộ vào Bán đảo Virginia.[13]

Jackson nhận được chỉ thị của Johnston là phải tránh giao chiến nói chung vì ông ta đang bị áp đảo nghiêm trọng về quân số, nhưng đồng thời lại phải cầm chân cuộc chiếm đóng của Banks đủ lâu để ngăn chặn ông ta chia quân đi tiếp ứng cho McClellan ở vùng Bán đảo. Nhận được tin tình báo không chính xác, Banks cho rằng Jackson đã rời khỏi vùng Thung lũng, và ông ta bắt đầu di chuyển về phía đông, trở lại vùng lân cận Washington. Jackson hoang mang trước cuộc hành quân này vì Banks đang thực hiện chính xác những gì mà Jackson được lệnh phải ngăn chặn. Khi Ashby báo cáo rằng chỉ có một số ít trung đoàn bộ binh và một số pháo binh thuộc quân đoàn của Banks còn ở lại Winchester, Jackson quyết định tấn công một bộ phận quân miền Bắc để cố gắng buộc quân của Banks phải quay trở lại. Nhưng thông tin của Ashby là không chính xác; thực tế nguyên một sư đoàn miền Bắc vẫn còn đóng trong thị trấn. Trong trận Kernstown thứ nhất (23 tháng 3 năm 1862) diễn ra cách Winchester vài dặm về phía nam, quân miền Bắc đã chặn đứng cuộc tấn công của Jackson và sau đó phản công, bọc sườn trái và buộc ông phải rút chạy, đây là trận thua duy nhất của ông trong toàn chiến dịch. Mặc dù thất bại chiến thuật thuộc về Jackson, đây lại là một thắng lợi về chiến lược đối với quân miền Nam, vì đã buộc Tổng thống Lincoln phải để lực lượng của Banks ở lại trong Thung lũng và quân đoàn 30.000 người của McDowell gần Fredericksburg, loại khoảng 50.000 quân ra khỏi lực lượng xâm chiếm vùng Bán đảo của McClellan.[14]

Sau trận Kernstown quân miền Bắc được tổ chức lại: đội quân của McDowell đổi thành Cục Rappahannock, quân đoàn của Banks chuyển thành Cục Shenandoah, còn vùng phía tây bang Virginia (Tây Virginia ngày nay) trở thành Cục Mountain, do thiếu tướng John C. Frémont chỉ huy. Cả ba bộ tư lệnh này đều báo cáo trực tiếp với Washington, và được lệnh phải triệt tiêu mối đe dọa của Jackson đối với thủ đô. Cùng lúc này, chính quyền miền Nam đã tách sư đoàn của Richard S. Ewell khỏi binh đoàn của Johnston và điều đến Thung lũng. Jackson, giờ đã được tăng viện lên 17.000 người, quyết định sẽ lần lượt tấn công các lực lượng quân miền Bắc riêng rẽ trước khi họ kết hợp lại và áp đảo ông, đầu tiên là tập trung vào một đội quân thuộc Cục Mountain của Robert H. Milroy. Trong khi đang di chuyển theo một tuyến hành quân quanh co để che giấu ý đồ của mình, ông đã bị Milroy tấn công trong trận McDowell ngày 8 tháng 5 nhưng đã đẩy lui được quân địch sau một trận chiến đấu dữ dội. Trước đó Banks đã điều 1 sư đoàn đến tiếp viện cho Irvin McDowell tại Fredericksburg, nên giờ chỉ còn lại 8.000 quân, và đã rút về một vị trí kiên cố ở Strasburg, Virginia.[15]

Jackson sau đó liền quay sang đánh bại Banks. Ngày 21 tháng 5, ông xuất phát từ New Market tiến quân về phía đông rồi tiếp đó rẽ lên hướng bắc. Tốc độ hành quân lần này đã trở thành biểu tượng của chiến dịch và quân kỵ của ông được đặt biệt hiệu "kỵ binh chạy bộ của Jackson". Ông đã điều lực lượng kỵ binh của mình lên thẳng hướng bắc để khiến Banks nghĩ rằng mình sẽ tấn công Strasburg, nhưng thật ra kế hoạch của ông là đánh chiếm tiền đồn nhỏ bé ở Front Royal và nhanh chóng cắt đứt tuyến liên lạc của Banks tại Harpers Ferry. Ngày 23 tháng 5, trong trận Front Royal, quân của Jackson đã bất thình lình nghiền nát lực lượng đồn trú 1.000 người của miền Bắc, bắt sống gần 700 quân với tổn thất không đến 40 người. Chiến thắng của Jackson buộc Banks tại Strasburg phải cấp tốc rút lui về phía Winchester. Dù Jackson cố gắng truy kích, nhưng do quân của ông đã kiệt sức và mải cướp phá các đoàn tàu tiếp tế của miền Bắc, nên đã làm chậm bước họ đi rất nhiều. Ngày 25 tháng 5, trong trận Winchester thứ nhất, quân của Banks đã bị các đội hình tập trung của quân miền Nam tấn công và bị đánh bại hoàn toàn, thương vong hơn 1.300 người và rất nhiều quân nhu (bao gồm 9.000 vũ khí loại nhỏ, nửa triệu viên đạn, và nhiều tấn đồ tiếp tế). Họ vượt qua sông Potomac rút chạy về phía bắc. Jackson lại cố gắng truy kích nhưng một lần nữa không thành công, do kỵ binh của Ashby mải đi cướp bóc còn bộ binh thì đã kiệt sức. Sau vài ngày nghỉ ngơi, Jackson đuổi theo Banks đến tận Harpers Ferry, và giao chiến với quân đồn trú miền Bắc tại đó.[16]

Tại Washington, Tổng thống Lincoln và Bộ trưởng chiến tranh Edwin M. Stanton quyết định rằng đánh bại Jackson là ưu tiên trước mắt (mặc dù nhiệm vụ của Jackson chỉ là giữ chân các lực lượng chiếm đóng miền Bắc không để tiến ra Richmond). Họ ra lệnh cho Irvin McDowell điều 20.000 quân đến Front Royal và phái Frémont tiến quân về Harrisonburg. Nếu cả hai lực lượng này có thể tập trung tại Strasburg, lối thoát duy nhất của Jackson ra khỏi Thung lũng sẽ bị cắt đứt. Hậu quả tức thời của cuộc hành quân này là cuộc tấn công phối hợp của McDowell với McClellan tại Richmond bị huỷ bỏ. Ngày 29 tháng 5, trong khi 2 đội quân miền Bắc đang truy kích Jackson, ông đã bắt đầu đưa quân trở lại phía nam để thoát khỏi gọng kìm của đối phương, tiến qua 40 dặm đường trong 36 tiếng đồng hồ. Quân đội của ông đã giữ vững vị trí phòng thủ tại Cross Keys và Port Republic, tại đó ông lần lượt đánh bại được Frémont và James Shields (đến từ đội quân của Frémont), trong các ngày 8 và 9 tháng 6.[17]

Sau các trận đánh này, quân đội miền Bắc đã rút khỏi Thung lũng. Jackson quay về hội quân với Robert E. Lee tại vùng Bán đảo để đánh Chuỗi trận Bảy ngày (tại đây ông đã có một thể hiện khá mờ nhạt, có thể là do những căng thẳng sau chiến dịch Thung lũng). Ông đã hoàn thành nhiệm vụ của mình là cầm chân hơn 50.000 quân cần thiết cho McClellan. Với thắng lợi trong chiến dịch Thung lũng, Stonewall Jackson trở thành chiến binh lừng danh nhất tại miền Nam (cho đến khi bị lấn át bởi Lee) và đã giúp vực dậy được tinh thần của công chúng miền Nam. Trong một chiến dịch quân sự kinh điển đầy tính bất ngờ và cơ động, ông đã đưa quân đội của mình vượt qua 1.040 km trong 48 ngày tiến quân và giành được 5 chiến thắng đáng kể với lực lượng chỉ khoảng 17.000 người chống lại đối phương tổng cộng tới 60.000 quân.[18]