לִי תכנן לחדש את ההתקפה ביום השלישי על פי אותה תוכנית של היום הקודם: התקפה של לונגסטריט על האגף השמאלי של צבא האיחוד, והתקפה של איוול על האגף הימני. ואולם, עוד לפני שלונגסטריט היה מוכן לקרב החל הקורפוס ה-12 של ארמיית הפוטומק בהתקפה ארטילרית על העמדות שהצליחו הדרומיים לתפוס במורדות גבעת קאלפ, בניסיון להשתלט עליהן מחדש. חיילי הדרום החלו במתקפת נגד, אף על פי שלִי ניסה למנוע אותה; מסר ששלח לאיוול נענה בתגובתה תמציתית: "מאוחר מכדי להחזיר". הקרב שהחל הסתיים בסביבות השעה 11:00 בבוקר לאחר כשבע שעות של לחימה עזה, בהן נהדפו ההתקפות של שני הצדדים באבדות כבדות.
ההתקפה על רכס בית הקברות ("הסתערות פיקט").
לִי נאלץ לשנות את תוכניתו. העתודה היחידה שנותרה לו הייתה הדיוויזיה של מייג'ור גנרל ג'ורג' פיקט מן הקורפוס של לונגסטריט. יחידה זו לא השתתפה בקרבות היומיים הקודמים, והגיעה רק בליל 2 ביולי לשדה הקרב. לִי צירף לדיוויזיה זו עוד שש בריגדות מהקורפוס של היל (שחלקן ספגו אבדות כבדות ביום הלחימה הראשון), וכל הכוח הועמד תחת פיקודו של לונגסטריט. המטרה הייתה פשוטה: להסתער על עמדות הקורפוס השני של ארמיית הפוטומק במרכז קו ההגנה הצפוני, על רכס בית הקברות, ולהבקיע דרכו. כדי להקל על המתקפה החזיתית, ולהגדיל את סיכויי ההצלחה, ריכז לי כמעט את כל קני הארטילריה שעמדו לרשותו, כדי להנחית הפגזת "ריכוך" כבדה וממושכת על עמדות הצפון ברכס בית הקברות.
לונגסטריט התנגד לתוכניתו של לי; הוא טען שחיל הרגלים לא יוכל לעבור את המרחק עד לעמדות צבא האיחוד תחת האש הכבדה שתונחת עליו. ואולם, לִי עמד על שלו. סנגוריו של לי טוענים, שלמעשה לא הייתה לו ברירה אחרת. הוא לא רצה לסגת, משום שנסיגה משדה הקרב לאחר שני ימי לחימה עקובים מדם ללא כל הישג הייתה נתפסת ככישלון. הוא לא יכול היה להישאר במקומו, שכן כל יום נוסף של עיכוב היה מאפשר לצבאו של מיד להתחזק ולקבל תגבורות, בעוד שלצבא הדרום, שנמצא עמוק בשטח אויב הרחק מבסיסיו, לא היה סיכוי לקבל תגבורות. לכן החליט לי לתקוף את הנקודה שנראתה לו החלשה ביותר במערך ההגנה של צבא האיחוד, מרכז רכס בית הקברות. ביום שלפני כן הצליחה הדיוויזיה של אנדרסון להגיע עד לפסגת הרכס; המדרון בנקודה שנבחרה להתקפה לא היה תלול במיוחד, ולִי קיווה שהסתערות נחושה תצליח להבקיע דרך מערך ההגנה הצפוני.
בסביבות השעה 13:00 החלה הפגזת ריכוך של 140 עד 170 תותחים של הדרום על רכס בית הקברות, הפגזה שקרוב לוודאי הייתה הכבדה ביותר במלחמה כולה. הארטילריה של הצפון השיבה בתחילה אש מכ-80 תותחים, אך לאחר כחצי שעה החליט מפקד הארטילריה של צבא הפוטומק להפסיק את ההפגזה הנגדית כדי לחסוך תחמושת לשלב המתקפה הרגלית של האויב. הפסקת הירי בוצעה בכוונה בצורה מדורגת: התותחים לא הפסיקו לירות בבת אחת, כדי לתת לאויב את התחושה שההרעשה שלו מצליחה לפגוע בסוללות הארטילריה של הצפון ולשתק אותן בזו אחר זו.
ההפגזה הכבדה של הארטילריה הדרומית לא הייתה אפקטיבית. רמת הדיוק של תותחי הקונפדרציה לא הייתה טובה, וחלק גדול מהפגזים חלפו מעבר לקו הרכס ולכן גרמו לנזק מצומצם ליחידות של צבא האיחוד שהחזיקו בקו הקדמי. העשן והאבק הרב שהעלתה ההפגזה היקשו על איכון המטרות. הפסקת הירי הארטילרי של הצפון, ונסיגת חלק מסוללות התותחים שלו מהקו (לצורך התארגנות מחדש) גרמו לפיקוד צבא הדרום להאמין שההפגזה המקדימה הצליחה לשתק את אש הארטילריה של היריב. קולונל אלכסנדר, מפקד הארטילריה בקורפוס של לונגסטריט, אישר כי ניתן לפתוח בהתקפה, והבהיר שהתחמושת של תותחיו עומדת להיגמר; לונגסטריט עדיין התנגד להתקפה, אך הבין שאינו יכול למנוע אותה, ולכן אישר לפיקט בניד ראש לצאת במתקפה.
סמוך לשעה 15:00, לאחר כשעתיים של הפגזה, יצאו ממחסה רכס הסמינר תשע בריגדות דרומיות, שכללו כ-12,500 חיילים, והחלו להתקדם אל עבר קווי הצפון. באגף השמאלי של הכוח התוקף נעו הדיוויזיות של פטיגרו וטרימבל מהקורפוס של היל, ובאגף הימני הדיוויזיה של פיקט. היה על חיילי ארמיית צפון וירג'יניה לעבור 900 - 1200 מטרים תחת אש כבדה. הסתערות זו נודעה כאחת מההסתערויות הטרגיות בתולדות מלחמת האזרחים בפרט ובתולדות המלחמות בכלל; היא ידועה בשם "הסתערות פיקט" (Pickett's Charge; כאמור הדיוויזיה של פיקט הייתה רק אחת משלוש דיוויזיות שהשתתפו במתקפה, אך היא הייתה רעננה וחזקה יחסית ומילאה תפקיד מרכזי במתקפה). כאשר התקרב הכוח המסתער למערך ההגנה של הצפון הוא החל לספוג אש ארטילריה כבדה, וסוללות תותחים נוספות מהעתודה של צבא הצפון קודמו אף הן לקו האש.
הבריגדה של ברוקנבראו (Brockenbrough) באגף השמאלי (הצפוני) של הכוח התוקף נשברה ונמלטה משדה הקרב לאחר שספגה אבדות כבדות מאש נשק קל ומהפגזה עזה שנורתה על אגפה מכיוון גבעת בית הקברות. החיילים הנמלטים סחפו עימם חלק מהחיילים בדיוויזיה של טרימבל, שהתקדמה כדרג שני לאחר הדיוויזיה של פטיגרו. בריחת הבריגדה חשפה גם את הבריגדה של דייוויס, שנעה מדרום לה, לאש אגפית יעילה של כוחות רגלים וארטילריה. הדיוויזיות של פיטגרו וטרימבל ספגו אבדות כבדות מאוד מהאש האגפית ומאש הדיוויזיה של הייס מצבא הצפון, שניצבה מולן, ורוב היחידות שלהן לא הצליחו להתקדם מעבר לכביש אמיטסברג ולהגיע עד לקו ההגנה הקדמי של צבא הצפון.
באגף הימני של הכוח המסתער ביצעה הדיוויזיה של פיקט חצי פניה שמאלה כדי לחבור אל הדיוויזיה של פטיגרו ולהגיע ליעדיה ברכס בית הקברות. תמרון זה חשף את אגפה הימני לאש הארטילריה הצפונית מאזור גבעת "פסגה עגולה קטנה". הבריגדה של סטאנרד באגף השמאלי של הקורפוס השני (הנקוק) איגפה מדרום את כוחותיו של פיקט, והמטירה אש קטלנית על האגף והעורף של הבריגדה של קמפר.
הנטייה הטבעית של חיילי הדרום להתרחק מאש הנשק הקל והארטילריה, שנורתה על שני האגפים של הכוח התוקף, גרמה להם לנוע בהדרגה לכיוון מרכז חזית המתקפה ולהצטופף בשטח צר יחסית (כ-800 מטר), ובכך הפכה אותם פגיעים יותר לאש המגינים. כאשר הגיעו חיילי הדרום לטווח קצר מעמדות הקורפוס השני על רכס בית הקברות הומטרה עליהם אש הרסנית של רובים ושל פגזי רסס (Canister) שנורו בכינון ישיר.
במרכז מערך ההגנה של הקורפוס השני נוצר מצב מסוכן לארמיית הפוטומק. למרות האש הכבדה של המגינים הצליחו 2000–3000 חיילים דרומיים (מהבריגדות של פריי, לאורנס, גארנאט וארמיסטד) להגיע עד לקו ההגנה הקדמי של הצפון בנקודה שנודעה מאוחר יותר בשם "הזווית". הבריגדה הצפונית (של ווב) שהגנה על הגזרה המותקפת נאלצה לסגת, וחיילי הדרום הצליחו לחצות את חומת האבן, מאחריה התגוננו חיילי האיחוד, ולשטוף רגימנט חי"ר וסוללת ארטילריה צפונית שהגנו על אזור הפירצה. אש עזה של יחידות תגבורת ושל תותחי שדה שירו פגזי רסס מטווח אפס על הכוח המסתער בלמה את המשך התקדמותו. הנקוק הורה לכוחותיו לתקוף את שני האגפים של הבליטה שנוצרה בקווי הקורפוס שלו, ולחסל אותה. תוך זמן קצר נהרגו או נפצעו רוב המפקדים של הכוח המסתער, ושרידי הכוח נאלצו לסגת. פחות משעה לאחר תחילתה נשברה המתקפה של צבא הדרום, וחיילי הארמייה של צפון וירג'יניה נסוגו באיטיות בחזרה לקוויהם.
אבדות צבא הדרום במהלך היום השלישי לקרב היו כבדות בהרבה מאבדות הצד השני. ארמיית צפון וירג'יניה ספגה כ-6500 נפגעים, יותר ממחצית הכוח התוקף. חלק ניכר מהחיילים שנפצעו במהלך ההסתערות, הושארו בשדה הקרב ונפלו בשבי הצפון. צבא הצפון טען שבמהלך היום נלקחו בשבי 3750 מחיילי הדרום. אבדות ארמיית הפוטומק היו קלות יחסית והסתכמו בכ-2330 נפגעים בלבד. בסוף היום, כאשר לי הורה לפיקט להיערך להגנה, כדי להדוף את התקפת הנגד הצפויה של הצפון, הגיב האחרון באומרו: "גנרל, אין לי יותר דיוויזיה".
קרב הפרשים.
ביום השלישי התחוללו גם שני קרבות משמעותיים בהם היו מעורבים פרשים. לי שלח את הפרשים של סטיוארט לנוע סביב האגף הימני (הצפוני) של צבא הצפון, ולתקוף את שיירות האספקה שלו בין דרך יורק לדרך הנובר. הוא קיווה שתמרון זה יאפשר לחיל הפרשים שלו לסייע למתקפת הרגלים על רכס בית הקברות, ולנצל את ההצלחה במקרה שהמתקפה תשיג את יעדיה. אולם יחידות הפרשים של צבא הצפון הצליחו לסכל את תוכניתו. הפרשים של סטיוארט נתקלו בפרשי הצפון במרחק כ-5 ק"מ ממזרח לגטיסבורג, ונהדפו לאחור לאחר קרב ממושך. הקרב כלל לחימה פנים אל פנים, גם בחרבות; אחד ממפקדי הפרשים של הצפון, שהשתתפו בקרב, היה בריגדיר גנרל ג'ורג' ארמסטרונג קסטר, שהתפרסם מאוחר יותר כמי שפיקד על גדוד פרשים
של צבא ארצו הברית בקרב ליטל ביגהורן.
לאחר כישלון המתקפה הדרומית על רכס בית הקברות תקף בריגדיר גנרל ג'דסן קילפטריק בראש יחידת הפרשים שלו מצבא הצפון את עמדות הקורפוס של לונגסטריט, כדי לנצל את ההצלחה, אולם מתקפת הפרשים הצפונית נהדפה, באבדות משמעותיות.
אחרי הקרב.
לִי נסוג, מִיד נמנע מהכרעה.
לִי הסיג את כוחותיו מן העיירה גטיסברג ונערך להגנה על רכס הסמינר בלילה שבין 3 ל-4 ביולי. הוא קיווה שמִיד יתקוף, אך זה האחרון החליט שלא לעשות כן, החלטה שבגינה ספג מאוחר יותר ביקורת רבה. ביום שלמחרת, 4 ביולי, החל לרדת גשם כבד על שדה הקרב. שני הצבאות ניצבו זה מול זה, מותשים מהאבדות הכבדות; שני הצדדים פינו את פצועיהם והחלו לטפל בקבורת ההרוגים הרבים. לִי הציע חילופי שבויים, אך מֵיד דחה את ההצעה.