Ngày 7 tháng 11 năm 1862, Tổng thống Lincoln đã cách chức McClellan khỏi vị trí chỉ huy do những thất bại của ông trong việc truy kích và đánh bại đội quân đang rút lui khỏi Sharpsburg của Lee. Ambrose Burnside, dù chỉ là một chỉ huy quân đoàn bình thường tại Antietam, đã được chỉ định làm tư lệnh Binh đoàn Potomac. Một lần nữa, Lincoln thúc ép viên chỉ huy của mình phải tiến hành một cuộc tấn công trong thời hạn ngắn nhất có thể. Burnside hào hứng với nhiệm vụ và lên kế hoạch tiến thẳng xuống phía nam đến Richmond. Ông ta hy vọng đánh bạt sườn Robert E. Lee bằng cách nhanh chóng vượt sông Rappahannock tại Fredericksburg và án ngữ con đường nối giữa quân miền Nam và thủ đô của họ. Thế nhưng những khó khăn về hành chính đã khiến cho số cầu phao phục vụ cho việc vượt sông không thể đến đúng thời điểm, và quân miền Bắc bị buộc phải chờ để qua sông tại Fredericksburg trong khi Lee đã nhân cơ hội này củng cố phòng tuyến trên các cao điểm xung quanh thành phố. Thay vì bỏ cuộc hoặc tìm cách khác để tiến quân, Burnside vẫn vượt sông và ngày 13 tháng 12, đã bắt đầu công kích chính diện ồ ạt vào cao điểm Marye's Heights tại sườn trái của Lee. Mặc dù cuộc tấn công tại sườn phải diễn ra thành công hơn, đã đột phá được trận tuyến của Jackson trong một thời gian ngắn; nhưng những đợt tấn công nhằm vào các cao điểm kiên cố vẫn được tiếp diễn, do niềm tin sai lầm rằng như vậy sẽ giúp lực lượng đối đầu với Jackson có thể phát huy chiến quả của họ. Quân miền Bắc mất hơn 12.000 người trong ngày hôm đó; thiệt hại của quân miền Nam chỉ vào khoảng 4.500 người.[47]

Mặc dù thất bại và bị mất lòng Washington, Burnside vẫn chưa bị thuyên chuyển khỏi chức vụ chỉ huy. Ông ta đã lên kế hoạch mở lại cuộc tấn công vào bắc Fredericksburg, nhưng đúng lúc đó đã xảy ra sự kiện Cuộc hành quân bùn nhục nhã vào tháng 1 năm 1863. Tiếp theo, một phe cánh các tướng lĩnh cấp dưới đã báo cáo với chính phủ rằng Burnside không đủ khả năng lãnh đạo quân đội. Một trong số đó là thiếu tướng Joseph Hooker, người sau đó được chỉ định làm chỉ huy Binh đoàn Potomac ngày 26 tháng 1 năm 1863. Hooker, với thành tích xuất sắc trên cương vị chỉ huy quân đoàn trong các chiến dịch trước đó, đã tận dụng khoảng thời gian còn lại của mùa đông để tái tổ chức và cung ứng cho quân đội, trong đó đặc biệt chú ý đến các vấn đề sức khoẻ và tinh thần của binh lính. Và với bản tính tích cực của mình, ông đã vạch một kế hoạch phức tạp cho chiến dịch mùa xuân chống lại Robert E. Lee.[48]

Lúc này quân đội cả hai bên đều đang ở tại vị trí cũ trước trận Fredericksburg. Hooker lên kế hoạch điều kỵ binh dưới quyền thiếu tướng George Stoneman tiến sâu vào sau lưng quân miền Nam để phá vỡ các tuyến đường tiếp tế. Trong khi một quân đoàn ở lại để thu hút sự chú ý của Lee tại Fredericksburg, số còn lại sẽ ẩn mình và bí mật tiến hành một cuộc hành quân bọc sườn đưa phần lớn quân đội của Hooker ra phía sau Lee, đẩy ông ta vào một gọng kìm. Lee, do đã phái một quâm đoàn của trung tướng James Longstreet đi cắt cỏ ở nam Virginia, giờ bị áp đảo về quân số với 57.000 người trước 97.000 quân địch.[49]

Kế hoạch khởi đầu suôn sẻ, và phần lớn Binh đoàn Potomac đã băng qua sông Rapidan và tập kết tại đúng vị trí ngày 1 tháng 5. Thế nhưng sau vài trận giao chiến nhỏ ban đầu với đối phương, Hooker bắt đầu mất tự tin, và thay vì đánh vào sau lưng Binh đoàn Bắc Virginia như kế hoạch, ông ta lại rút lui về phòng thủ quanh Chancellorsville. Ngày 2 tháng 5, Robert E. Lee đã tiến hành một trong những cuộc hành quân mạo hiểm nhất trong toàn cuộc Nội chiến. Vốn đã chia nhỏ quân ra để đối phó với 2 mũi tấn công của Hooker, ông lại chia quân ra lần nữa, điều 20.000 người của Stonewall Jackson làm một cuộc tiến quân bọc sườn dài để đánh vào sườn phải không được bảo vệ của Hooker. Dù nhận được mệnh lệnh bất ngờ, quân đoàn của Jackson đã đánh tan tác quân đoàn XI của miền Bắc do thiếu tướng Oliver O. Howard chỉ huy. Sau thắng lợi này, Jackson đã bị tử thương do chính quân mình bắn nhầm trong khi đang đi trinh sát ở đầu trận tuyến.[50]

Ngày 3 tháng 5, trong lúc Lee đang liên tiếp mở các cuộc tấn công đẫm máu vào tuyến phòng thủ ở Chancellorsville, thì quân đoàn VI của miền Bắc do thiếu tướng John Sedgwick dẫn đầu cuối cùng đã làm được điều mà Burnside không thể làm lúc trước, đó là tấn công thắng lợi vào các lực lượng hiện đã bị suy yếu trên cao điểm Marye's Heights tại Fredericksburg. Quân đoàn bắt đầu tiến về phía tây, một lần nữa đe dọa sau lưng của Lee. Lee đã đối phó lại được với cả hai cánh quân của Binh đoàn Potomac, tiếp tục đẩy Hooker đang choáng váng vào thế phòng thủ và phái 1 sư đoàn đi chặn cuộc tiến quân của Sedgwick. Đến ngày 7 tháng 5, Hooker rút toàn bộ lực lượng về bờ bắc sông Rappahannock. Đây là một chiến thắng khá đắt giá đối với Lee: mất 13.000 người, tương đương 25% quân số. Hooker mất 17.000 người, với tỷ lệ thương vong thấp hơn của Lee.[51]