Trận đánh kết thúc vào 5:30 chiều ngày hôm ấy. Chỉ trong một ngày như cả hai đoàn quân đều phải chịu tổn thất nặng nề. Quân đội Liên bang phải hứng chịu tổn thất 12.401 chiến sĩ, trong đó có 2.108 liệt sĩ. Quân đội Liên minh chịu mất mát 10.318 binh sĩ, trong số đó có 1.546 tử sĩ. Những con số ấy chiếm 25% quân lực Liên bang và 31% quân lực Liên minh.[6] Ngày 17 tháng 9 năm 1862 ghi dấu nhiều người Mỹ chết hơn bất cứ một cái ngày nào khác trong lịch sử quân sự của đất nước.[46] Toàn bộ tổn hại của Quân đội Hoa Kỳ trong cuộc Chiến tranh Hoa Kỳ-México (1846 - 1848), nói thực ra, hãy còn thua kém trận chiến ác liệt tại Antiem này.[29] Trước trận này, trên Mặt trận miền Tây, quân đội miền Bắc dưới quyền Tướng Ulysses S. Grant đã đánh thắng quân miền Nam trong trận Shiloh đẫm máu, thế nhưng trận Antietam còn tàn khốc hơn cả trận đánh ở Shiloh.[12] Trận đánh này đã làm mất đi sinh mạng của nhiều vị tướng lĩnh, trong đó có Thiếu tướng Joseph K. Mansfield và Israel B. Richardson, cùng với Chuẩn tướng Isaac P. Rodman của Liên bang miền Bắc (đều bị trọng thương), cũng như các Chuẩn tướng Lawrence O. Branch và William E. Starke của Liên minh miền Nam (đều trận vong).[47]

Cả hai đoàn quân đều làm chủ trận địa.[29] Vào buổi sáng ngày 18 tháng 9 năm 1862, quân đội của Lee chuẩn bị chiến đấu chống một cuộc công kích của quân Liên bang, mà không bao giờ diễn ra. Sau khi hai bên thỏa thuận với nhau về việc hồi phục và trao đổi các thương binh của mình, đoàn quân của Lee bắt đầu triệt binh qua sông Potomac và đêm hôm đó họ về đến Virginia.[48]

Đối với Binh đoàn Bắc Virginia tinh nhuệ của Lee trong giai đoạn ấy, nếu trận Bull Run lần thứ hai là giây phút tuyệt vời nhất của họ, thì trận đánh khốc liệt ở Antietam là thời khắc tồi tệ nhất của họ.[36] Chiến bại tại Antietam được xem là thất bại đầu tiên của Lee.[49], nhiều nhà sử học và người đương thời đã chỉ trích McCellan rất nặng nề vì ông đã không biết phát huy thắng lợi của mình.[29] Bản thân Tổng thống Lincoln cũng tỏ ra thất vọng với McClellan trong trận này. Ông tin rằng những hành động quá thận trọng và hợp đồng kém cỏi của McClellan trên chiến địa đã khiến trận đánh trở nên bế tắc, hơn là một chiến bại thảm hại của phe Liên minh. Nhà sử học Stephen Sears đồng tình.[50]

Trong cuộc chiến đấu chống những kẻ kình địch để cứu nguy nền Cộng hòa, Tướng McClellan chỉ mang có 5 vạn quân Bộ binh và Pháo binh vào cuộc giao tranh. Một phần ba quân đội của ông không hề bắn một phát đạn nào. Ngay cả khi vậy, các chiến sĩ của ông liên tiếp đẩy Binh đoàn Bắc Virginia đến bờ vựa thảm họa, những chiến tích can trường đã hoàn toàn mất đi với một vị chỉ huy chỉ nghĩ được có chút xíu ngoài việc ngăn ngừa thất bại của chính ông.

— Stephen W. Sears, Landscape Turned Red