Tháng 6 năm 1863, Robert E. Lee quyết định trên đà chiến thắng tại Chancellorsville mà lặp lại chiến lược năm 1862 và một lần nữa tiến quân xâm chiếm miền Bắc. Cuộc viễn chinh này một mặt nhằm mục đích tiếp tế cho quân đội, cho các đồn điền ở Virginia một thời gian nghỉ ngơi trong chiến tranh, và mặt khác là một đòn đánh vào tinh thần nhân dân miền Bắc, có thể bằng cách chiếm lấy một thành phố quan trọng như Harrisburg, Pennsylvania hay Baltimore, Maryland. Chính quyền miền Nam miễn cưỡng tán thành chiến lược này duy nhất bởi vì Jefferson Davis lúc bấy giờ lo lắng cho số phận của pháo đài Vicksburg, Mississippi đang bị đe dọa trước chiến dịch Vicksburg của Ulysses S. Grant. Sau cái chết của Jackson, Lee tổ chức lại Binh đoàn Bắc Virginia làm 3 quân đoàn, do các trung tướng James Longstreet, Richard S. Ewell, và A.P. Hill chỉ huy.[52]

Lee bắt đầu tiến quân theo hướng tây bắc từ Fredericksburg vào Thung lũng Shenandoah, tại đó dãy núi Blue Ridge che chắn cho cuộc hành quân bắc tiến của họ. Joseph Hooker, vẫn giữ chức vụ chỉ huy Binh đoàn Potomac, đã huy động lực lượng kỵ binh đi truy tìm Lee. Ngày 9 tháng 6, đã diễn ra trận Brandy Station là trận đánh chủ yếu bằng kỵ binh lớn nhất trong cuộc Nội chiến, kết thúc bất phân thắng bại. Hooker thúc toàn bộ quân đội của mình truy kích, nhưng đến ngày 28 tháng 6, Tổng thống Lincoln hết kiên nhẫn với Hooker và cách chức chỉ huy của ông, thay thế bằng viên tư lệnh quân đoàn V, thiếu tướng George G. Meade. Sau khi xem xét lại vị trí của các quân đoàn cùng với Hooker, Meade đã ra lệnh cho binh đoàn tiến vào miền nam Pennsylvania trên một trận tuyến rộng lớn, với ý định để bảo vệ Washington và Baltimore và truy tìm binh đoàn của Lee; ông cũng đã xây dựng kế hoạch rút về phòng thủ theo tuyến Pipe Creek ở bắc Maryland trong trường hợp không tìm được chiến trường thích hợp ở Pennsylvania để đánh một trận có lợi thế thuộc về mình.[53]

Lee bất ngờ khi nhận thấy quân miền Bắc di chuyển rất nhanh. Khi họ vượt sông Potomac tiến vào Frederick, Maryland, quân miền Nam còn đang phân tán trên một chiều dài rất lớn tại Pennsylvania, khi Richard Ewell đã qua sông Susquehanna tại Harrisburg thì James Longstreet cùng A. P. Hill vẫn còn ở sau dãy núi tại Chambersburg. Kỵ binh của ông, dưới quyền chỉ huy của Jeb Stuart, đang bận tiến hành một cuộc đột kích tầm xa tại sườn phía đông của quân miền Bắc và bị mất liên lạc với tổng hành dinh, khiến Lee mù tịt không biết được vị trí và dự định của đối phương. Lee nhận ra rằng, giống như trong chiến dịch Maryland, cần phải tập trung binh đoàn của mình trước khi bị đánh bại từng phần. Ông ra lệnh cho toàn thể các đơn vị di chuyển về vùng lân cận Gettysburg, Pennsylvania.[54]

Trận Gettysburg thường được coi là bước ngoặt trong Nội chiến Hoa Kỳ. Meade đã đánh bại Lee trong một trận đánh kéo dài 3 ngày có 160.000 binh sĩ tham gia, với thương vong lên đến 51.000 người. Trận chiến mở màn sáng ngày 1 tháng 7, khi các lữ đoàn thuộc sư đoàn của Henry Heth đụng độ với kỵ binh của Buford, và sau đó là quân đoàn I của John F. Reynolds. Khi quân đoàn XI của miền Bắc đến nơi, họ và quân đoàn I bị tấn công bởi các quân đoàn của Ewell và Hill đến từ phía bắc và bị buộc phải rút chạy qua thị trấn, về chiếm giữ các cao điểm phòng ngự trên gò đất cao phía nam thị trấn. Ngày 2 tháng 7, Lee tiến hành 2 cuộc tấn công lớn vào sườn trái và phải của quân đội Meade. Chiến sự ác diễn ra ác liệt tại Little Round Top, Devil's Den, Wheatfield, Peach Orchard, Đông đồi Cemetery, và đồi Culp. Meade đã có thể luân chuyển lực lượng dọc theo các tuyến phòng ngự chiều sâu, và đẩy lùi được các cuộc tiến công của quân miền Nam. Ngày 3 tháng 7, Lee mở cuộc tấn công của Pickett đánh vào trung tâm quân miền Bắc, nhưng gần như toàn bộ cả ba sư đoàn được huy động đã bị tiêu diệt hoàn toàn. Đến lúc này, Stuart quay trở lại, và tiến hành một cuộc chiến kỵ binh bất phân thắng bại tại phía đông chiến trường chính, trong cố gắng tiến vào khu vực sau lưng quân miền Bắc. Quân đội 2 bên ở nguyên vị trí trong ngày 4 tháng 7 (cùng ngày hôm đó trận Vicksburg kết thúc với chiến thắng tuyệt đối của miền Bắc), và sau đó Lee ra lệnh rút ngược qua sông Potomac về Virginia.[55]

Cuộc truy kích của Meade đuổi theo Lee không được tiến hành dứt khoát và đã không thành công. Ông bị phê phán mạnh mẽ từ phía Tổng thống Lincoln và những người khác, vì họ tin rằng sẽ có thể kết thúc chiến tranh sau trận Gettysburg nếu bắt được Lee. Trong tháng 10, một phần lực lượng của Meade bị tách ra và đưa đến mặt trận miền Tây; và Lee nhận thấy đây là cơ hội để lần lượt đánh bại đối phương để rồi uy hiếp Washington khiến miền Bắc không thể phái thêm quân đến miền Tây nữa. Kết quả là chiến dịch Bristoe nổ ra và kết thúc khi Lee rút về sông Rapidan mà không đạt được dự định của mình. Meade bị Lincoln gây áp lực phải tiến hành một chiến dịch tấn công cuối cùng vào mùa thu năm 1863, chiến dịch Mine Run. Tuy nhiên, Lee đã cắt đứt được đường tiến quân của Meade và xây dựng nhiều công sự nổi; Meade thấy hệ thống phòng ngự của miền Nam quá mạnh để có thể tấn công trực diện nên đã rút lui trong mùa đông.[56].