Sau khi rượt đuổi Đại tướng miền Nam Robert E. Lee vào Maryland, Thiếu tướng miền Bắc George B. McClellan đem quân ra tấn công các vị trí phòng ngự của đối phương đóng sau rạch Antietam. Sáng sớm ngày 17 tháng 9, Thiếu tướng Joseph Hooker đem quân đoàn của mình đánh mạnh vào sườn bên trái của Đại tướng Lee. Sau nhiều đợt công kích qua lại trên cánh đồng Miller và chiến sự diễn ra quanh nhà thờ Dunker Church, quân miền Bắc đã tấn công vào đường Sunken Road và cuối cùng chọc thủng được khu trung tâm của quân miền Nam, quân miền Nam dưới quyền Tướng Stonewall Jackson phải lui xuống[25] nhưng sau đó quân miền Bắc không tiến thêm được nữa vì bị phản kích dữ dội. Chiều đến, thiếu tướng Ambrose Burnside đem quân đoàn của mình vào trận, đánh chiếm cây cầu đá bắc qua rạch Antietam và tấn công sườn bên phải quân của tướng Lee. Dẫu cho Burnside chọc thủng được quân miền Nam, McCellan vẫn chần chừ không tăng viện.[9] Quân miền Bắc đang chiếm thế thắng thì bất thình lình sư đoàn quân miền Nam của thiếu tướng A.P. Hill từ Harpers Ferry kéo đến trợ chiến phản công đẩy lui Burnside và trận chiến buộc phải kết thúc - hai bên bất phân thắng bại. Đến đêm, cả hai phe cùng củng cố trận tuyến của mình. Dẫu mất biết bao nhiêu chiến sĩ nhưng chẳng bên nào có thể triệt tiêu kẻ địch, tình hình cũng giống như trận Bull Run lần thứ hai lúc trước.[26] Mất đến hơn 1/4 quân lực của mình, Lee như thế là đã bị đánh bật tuyệt đối chẳng thể nào tiến đánh Pennsylvania nữa.[12][27][28] Sau đó, khi quyết định lui quân, bất chấp những thiệt hại nặng nề, Lee vẫn tiếp tục công kích quân của McClellan nhiều đợt trong suốt ngày 18 tháng 9, trên đường chạy về phía nam rạch Antietam.[2]

Tuy lực lượng quân miền Nam chỉ bằng nửa miền Bắc, tướng Lee đã dùng chiến thuật tài tình để huy động được toàn bộ lực lượng của mình và tạo cơ hội cầm cự được với quân địch. Bên phía miền Bắc, tuy tướng McClellan có trong tay lực lượng gấp bội, và quân lực dự bị dồi dào để có thể triển khai nhằm khai thác những thắng lợi cục bộ, nhưng ông lại không tập trung lực lượng kịp thời, chỉ điều động được ba phần tư quân số, để cho tướng Lee có thể đối phó bằng cách luân chuyển lực lượng và di chuyển các trận tuyến bên trong để chống cự được từng đợt tấn công, và cuối cùng không tiêu diệt được Lee. Một phần khiến cho McCellan được thắng lợi ở trận Antietam là nhờ bộ đội miền Bắc đã phát hiện ra một quân lệnh của Lee trước trận chiến,[24] và sau thắng lợi, ông vẫn cứ thận trọng dù có thêm viện binh, khiến tàn quân của Lee triệt thoái an toàn sau thất bại.[5][9] Chiến thắng trong trận Antietam đẫm máu cũng là hệ quả của một cuộc truy kích đúng đắn và sự hồi phục quân lực Liên bang mạnh mẽ trong suốt ba tuần lễ.[26] Cùng với tổn hại rất cao của cả hai phe, những bức ảnh về thây tử sĩ chất đầy nội đã khiến cho rất nhiều Mỹ phải kinh sợ cuộc chiến tranh.[29]

Thiếu tướng McClellan có công lao to lớn chặn đứng được quân miền Nam lên xâm lấn,[20] nhưng ông lại bị bộ chỉ huy trách là đã bỏ mất cơ hội đánh tan quân địch trên đường lui. Sau khi chịu thiệt hại to lớn cùng ấn tượng trước thắng lợi của quân miền Bắc ở trận Antietam,[26] Lee đã đưa đội quân tàn tạ của mình[26] an toàn trở về Virginia mà không bị cản trở, chỉ vì McClellan quá thận trọng, trù trừ không quyết tâm và thiếu tính táo bạo. Đối với ông, một khi ông đã hoàn thiện mục tiêu của trận Antietam, cứu nguy được cho Maryland nói riêng và toàn thể Liên bang miền Bắc nói chung, thì chẳng cần phải làm gì nữa.[26] Tổng thống Abraham Lincoln - người tiếp tục được nỗ lực chiến tranh nhờ có thắng lợi trong trận kịch chiến này[14] - đã phàn nàn: "Nếu tướng McClellan không muốn sử dụng quân đội thì đưa cho tôi mượn xài một thời gian...". Sau đó, dẫu McCellan vẫn luôn cho rằng chiến thắng đẫm máu của ông đã cứu vãn cả Liên bang,[30] tướng Burnside - được coi là vị anh hùng thắng trận Antietam[15] - lên thay McClellan chỉ huy binh đoàn Potomac. Song, mặc dầu trận đánh tại Antietam cho thấy thế thượng phong của Bộ Chỉ huy quân Liên minh, báo chí Liên bang rầm rộ rao tin chiến thắng trong trận đánh tại Antietam gắn liền với McCellan.[5][21][31] Thất bại này của Lee cũng thể hiện sự hao phí binh lực của ông nhằm giữ thế công.[32]

Dù sao đi chăng nữa, đối với Liên bang miền Bắc trận này vẫn là một thành công hiếm hoi[22], hơi bất ngờ[19] và lớn lao về mặt chiến lược, vì nó mang đầy đủ ý nghĩa của một thắng lợi quan trọng và giúp cho đương kim Tổng thống Lincoln có đủ tự tin để công bố Tuyên ngôn Giải phóng Nô lệ,[14] mở rộng vai trò của quân đội miền Bắc[17] và làm nản lòng chính phủ các nước Anh và Pháp lúc đó đang xem xét đến việc công nhận chính phủ của Liên minh miền Nam - một thành quả mà hẳn Lincoln rất ao ước.[14] Một chiến thắng như vậy đã được Lincoln ao ước từ lâu và qua đó thể hiện tầm vóc to lớn của thắng lợi tại Antietam này.[24] Chính từ sau chiến thắng trong trận đánh này, ông được khen ngợi là "Người Giải phóng vĩ đại"[1]. Qua đó, chiến thắng của quân miền Bắc trong trận đánh Antietam là một nhân tố quan trọng cho sự sụp đổ của chế độ nô lệ ở Mỹ,[33] ngoài ra trận chiến cũng rõ ràng là một thắng lợi về mặt tinh thần của quân Liên bang [7] Với chiến thắng tại trận ấy, dẫu là một thắng lợi đắt giá, quân đội Liên bang đã chấm dứt một loạt thắng lợi của quân miền Nam trên Mặt trận miền Đông trong suốt cả giai đoạn đó.[1][34] Dù rằng trận chiến tại Antietam và bài Tuyên ngôn có vẻ nêu lên thế thượng phong vượt trội cho Liên bang miền Bắc (trận đẫm máu này khiến Anh và Pháp nhận thấy sức mạnh của phe Liên bang chiến thắng và cảm thấy phe Liên minh không thể nào cầm cự nổi nữa[1][12][24])[12], nhưng thực tế, chiến thắng mang tính chiến lược này không hề thể hiện ưu thế của Liên bang trước Liên minh miền Nam trong chiến tranh - điều ấy Lincoln hiểu rõ.[16] Sau chiến thắng quan trọng của quân đội Liên bang trong trận đánh ở Antietam, Lee đã hồi phục và đánh tan nát quân Liên bang trong trận Fredericksburg cùng năm đó, và bản thân trận thắng tại Antietam cũng trì hoãn kế hoạch tấn công của người miền Bắc vào thủ đô Richmond của phe miền Nam.[32][35] Mặt khác, chiến thắng tại Antietam có thể còn khiến Lincoln tránh được sự thắng lợi của Đảng Dân chủ trong các cuộc bầu cử năm 1862.[23] Và, thất bại tàn khốc tại Antietam trở nên thời khắc tệ hại nhất của Binh đoàn Bắc Virginia dưới quyền Lee trong giai đoạn đó, mà đại thắng Fredericksburg của quân ông cũng không thể phá vỡ giá trị to lớn của chiến thắng ở Antietam đối với quân Liên bang[35][36], như một chiến thắng ảnh hưởng lớn đến thắng lợi của khối Liên bang trong cuộc chiến, dù người ta vẫn đề cao đại thắng Gettysburg (1863) hơn chiến công đẫm máu này.[21][34] Đến nay, người Mỹ vẫn không quên kỷ niệm chiến thắng đẫm máu của Liên bang trong trận Antietam này.[5]