מערך ההגנה שתפס צבא האיחוד דמה לקרס דיג: קו ההגנה החל בגבעת קאלפ (Culp's Hill) מדרום מזרח לעיר, נע צפון מערבה לגבעת בית הקברות (Cemetery Hill, מדרום לעיירה), ומשם המשיך דרומה לאורך רכס בית הקברות (Cemetery Ridge), והסתיים מעט צפונה לנקודת גובה שכונתה בשם "פסגה עגולה קטנה" (Little Round Top). הקורפוס ה-12 התבסס בגבעת קאלפ; היחידות שנותרו מקורפוסים ה-1 ו-11, שהובסו ביום הלחימה הראשון מצפון לעיר, נערכו להגנה בגבעת בית הקברות; הקורפוס השני נערך לאורך חציו הצפוני של רכס בית הקברות; והקורפוס השלישי נצטווה לתפוס עמדות באגפו הדרומי. צבא הקונפדרציה נערך בקו מקביל, במרחק כקילומטר וחצי מקווי הצפון. הקו הדרומי היה פרוש ממערב ומול רכס בית הקברות, ומשם פנה צפונה דרך העיירה גטיסברג, ודרום מזרחה עד מול גבעת קאלפ. לפרישת צבא הצפון היה יתרון של קווים פנימיים; אורכו של הקו שתפס צבא הדרום היה כשמונה קילומטרים.
התוכנית של לִי.
צבא הקונפדרציה ניצח אמנם את קרבות היום הראשון, אך לִי היה במילכוד. בקרבות קודמים - בקרב אנטיאטם ובקרב פרדריקסברג - החזיקו הדרומיים בעמדות הגנתיות חזקות, שמולן התנפצו התקפות צבא האיחוד; בקרבות אחרים, כמו בקרב צ'אנסלורזויל, הוכיח לִי את גאונותו הטקטית, ובתמרונים מבריקים הצליח להביס את ארמיית הפוטומק. כעת היה זה צבא האיחוד שבחר את שדה הקרב, התבסס בעמדות הגנתיות חזקות, וללִי לא היה מרחב ומקום לתמרונים הגאוניים שהוכיח בעבר. לונגסטריט הציע לסגת משדה הקרב, להתבסס באזור נוח להגנה, ומשם להדוף את התקפות האויב, אך לִי סירב. הוא חשש למורל של חייליו, שיבינו את הנסיגה ככישלון. הוא גם דחה את הצעתו של לונגסטריט לאגף את האויב ולתקוף את מיד מדרום; לִי השיב להצעה זו: "האויב נמצא שם, ושם אתקוף אותו".
תוכנית הקרב של לִי ליום השני, 2 ביולי, כללה מתקפה מדורגת של היחידות בחלקו המערבי של שדה הקרב, על בסיס כביש אמיטסברג. למיטב ידיעתו של לִי, קו ההגנה של הצפוניים הסתיים באגפו המערבי, השמאלי, ברכס בית הקברות. הוא תכנן להניע את הקורפוס ה-I של ג'יימס לונגסטריט בחשאי אל מדרום מערב לקו הצפוני, ואז לתקוף את האגף כדי למוטט את היערכות צבא האיחוד. תחילה היו אמורות לתקוף הדיוויזיות של מייג'ור גנרל ג'ון בל הוד ומייג'ור גנרל לאפייט מקלאו; כיוון התקיפה היה אמור להיות לאורך כביש אמיטסברג. לאחריהן הייתה אמורה לתקוף הדיוויזיה של מייג'ור גנרל ריצ'רד ה. אנדרסון, מהקורפוס השלישי של א. פ. היל. דיוויזיה זו הייתה אמורה לתקוף את רכס בית הקברות בנקודה צפונית יותר; התקיפה המדורגת נועדה ליצור לחץ מתמשך על הקו הצפוני ולמנוע ממיד את האפשרות לתגבר את הקו שלו. במקביל, תכנן לי התקפת הסחה על האגף הימני של הקו הצפוני, מול גבעת קאלפ וגבעת בית הקברות, על ידי הקורפוס השני של ג'ובאל ארלי ודיוויזיה נוספת מן הקורפוס של היל. גם כאן הייתה המטרה לרתק כוחות צפוניים למקומם ולמנוע אפשרות של תגבור הקו במקומות אחרים; בנוסף, לי הורה על ניצול הזדמנות בעת הצורך: התקפת ההסחה הייתה יכולה להתפתח להתקפה מלאה על פי ההתפתחויות בשטח.
תוכניתו של לִי הייתה לקויה, מכיוון שחסר לו מודיעין. הפרשים של סטוארט עדיין לא חברו אל לִי, ובלעדיהם לא היה לו מודיעין מלא על מיקומם של כוחות צבא האיחוד. המידע שהיה חסר לו היה על מיקומו האמיתי של האגף השמאלי של צבא האיחוד: אגף זה התבסס דרומה יותר. מייג'ור גנרל דניאל סיקלס, מפקד הקורפוס השלישי של ארמיית הפוטומק, לא היה מרוצה מהעמדות שהוקצו לו ונע על דעת עצמו לשטח גבוה יותר, קו שהחל ב"מאורת השטן" (Devil's Den), נע לצפון מערב למטע השזיפים ושוב לצפון מזרח למשק קודורו. כך נוצר מבלט שהיה קשה מאוד להגנה, מכיוון שהיה חשוף להתקפות משני צדדים. הקורפוס של סיקלס היה קטן מדי וכוחותיו לא הספיקו להגנה מלאה על כל אורכו של המבלט, אך מיקומו היה על קו ההתקדמות המיועד של הוד ומקלאו; במקום שיתקפו את אגפם של הצפונים, הם נאלצו ללחום ישירות באנשיו של סיקלס.
גם התנהלותו של לונגסטריט עיכבה את המתקפה. לִי הורה לו לתקוף מוקדם ככל האפשר, אך המטרה הייתה להגיע בחשאי אל מול האגף של הצפוניים; כדי לנוע בהסתר היה על לונגסטריט לבצע מעקף ארוך, שגזל זמן רב. רק ב-15:30 היו הוד ומקלאו מוכנים להתחיל בהסתערות.
הקרב באגף השמאלי של צבא האיחוד.
אחר הצהריים החלה ההתקפה של לונגסטריט במלוא עוצמתה. הקורפוס של לונגסטריט הלם בעוצמה בקורפוס השלישי באגף השמאל של צבא האיחוד, וג'ורג' מִיד נאלץ לשלוח לעזרתו תגבורות חזקות: כל הקורפוס החמישי, דיוויזיה אחת של הקורפוס השני, רוב הקורפוס ה-12, וחלק קטן מהקורפוס השישי שהחל להגיע באותה שעה לשדה הקרב, כ-20,000 חיילים בסך הכל.
הקרב על הכיפות.
כאמור, עם תחילתה של המתקפה נתקלו שתי הדיוויזיות של לונגסטריט בקורפוס השלישי של האיחוד. בריגדיר גנרל ג'ון בל הוּד, מפקד הדיוויזיה שהוצבה בקצה הדרומי של מערך הקורפוס, שלח מסר דחוף ללונגסטריט ודרש לשנות את כיוון ההתקפה ולתקוף מזרחה (ולא לצפון מזרח, כמתוכנן), לכיוון "מאורת השטן" (Devil's Den) ושתי כיפות שולטות, שנקראו על שם צורתן וגודלן, "כיפה עגולה גדולה" (Big Round Top) ו"כיפה עגולה קטנה" (Little Round Top). הוא התווכח עם מפקדו, לונגסטריט, שעמד על כך שפקודותיו של לִי ימולאו כלשונן. הוּד התווכח שוב ושוב, ולבסוף החליט להתעלם מהפקודה, לסטות מנתיב ההתקפה המתוכנן ולתקוף מזרחה. זמן קצר לאחר תחילת המתקפה נפצע הוּד קשה מפגז.
אחד הרגימנטים של הוּד הצליח לכבוש, לאחר טיפוס וקרב קשה, את הפסגה "כיפה עגולה גדולה". החיילים הדרומיים הבחינו שהפסגה הסמוכה, "כיפה עגולה קטנה", ריקה כמעט מחיילי הצפון. ואולם, חיילי הדרום שנעו כדי לכבוש את הגבעה איחרו בכמה דקות; בדקות ספורות אלו הצליחו שתי חטיבות של צבא הצפון להשתלט על הכיפה. הקרב על נקודה זו היה גורלי: היא היוותה את העוגן הדרומי של מערך ההגנה הצפוני, ואילו הדרומיים היו מצליחים להשתלט עליה ייתכן שהיו מצליחים לאגף את הקו של ארמיית הפוטומק. הפיקוד של צבא האיחוד תפס את חשיבותה של הגבעה והחל להזרים אליה את התגבורות שהחלו להגיע בשלב זה מן הקורפוס החמישי. שני הצדדים לחמו בעוז תוך אבדות כבדות על הגבעה, אך הצפוניים הצליחו להדוף את מתקפות הדרומיים ולהחזיק בכיפה.
הקרב ב"מאורת השטן", בשדה החיטה וברכס בית הקברות.
משמאל וממערב לקרב על שתי הכיפות, נלחמו חטיבות נוספות בשטח מסולע וטרשי שנקרא "מאורת השטן" בשל הקרב הכבד שהתחולל בו. הדרומיים תקפו בעוצמה רבה, אך נהדפו במתקפת נגד של הצפון. הקרב שהתחולל היה מבולבל ונואש, והסתיים במתקפה נוספת של הדרומיים שהצליחו להשתלט על השטח ועל הרכס שמעליו.
הדיוויזיה של מקלאו תקפה את הקווים הדלילים של הקורפוס השלישי דרך שדה חיטה, והצליחה להבקיע דרכה באזור מטע השזיפים. חיילי הדרום החלו להתקדם בערוץ שנקרא נחל פלאם (Plum Run Valley), וזכה לכינוי "עמק המוות"; מתקפת נגד של דיוויזיית העתודה של הקורפוס החמישי של הצבא האיחוד, שירדה אל הערוץ מ"כיפה עגולה קטנה" הדפה את חיילי הדרום חזרה. הקורפוס השלישי של ארמיית הפוטומק נפגע כה קשה בקרבות, עד שחדל להיות יחידה לוחמת.
באגף השמאלי של הדרומיים, הצפוני, הצליחה הדיוויזיה של אנדרסון שנעה משמאלה לדיוויזיה של מקלאו לפרוץ עד לשיאו של רכס בית הקברות, אך לא הצליחה להחזיק בו ונהדפה בלחצן של התקפות נגד של הקורפוס השני. שיאן של התקפות אלה היה בהסתערות כידוני רובה, על גבול התאבדות, של הרגימנט הראשון ממינסוטה; הנקוק, מפקד הקורפוס השני של האיחוד הטיל אותם לקרב בניסיון נואש להרוויח זמן עד להגעתן של תגבורות נוספות.
הקרב באגף הימני של צבא האיחוד.
במקביל לקרבות הכבדים שהתחוללו בחלקו המערבי של שדה הקרב, סביב האגף השמאלי של צבא האיחוד, החלה מתקפה על האגף הימני. בשעה 19:00 בערב, באיחור ניכר, החל הקורפוס השני של ארמיית צפון וירג'יניה במתקפה על גבעת קאלפ. על הגבעה הגן הקורפוס ה-12 של ארמיית הפוטומק, אך רובו של הקורפוס נשלח כתגבורת לאגף השמאלי, ועל הגבעה נותרה חטיבה אחת בלבד. ואולם, מפקד החטיבה עמד על כך שחייליו יתחפרו ויתבצרו במשך כל היום, ובזכות העמדות המוגנות היטב שהחזיקו ובסיוע תגבורות הצליחו חיילי הצפון להדוף את התקפות הדרום, אם כי הדיוויזיה הדרומית התוקפת הצליחה להשתלט על כמה עמדות נטושות של הצפוניים במורדות הגבעה.
עם חשיכה, תקפו שתי חטיבות מן הקורפוס של ארלי את הקורפוס ה-11 של האיחוד בעמדותיו במזרח גבעת בית הקברות. הצפוניים סבלו אבדות כבדות, וכחצי מהחטיבה הצפונית שהגנה על הגבעה נפגעה, אך ארלי לא הזרים כוחות נוספים כדי להמשיך את המתקפה, ואיוול לא תקף את גבעת בית הקברות מן המערב. גם כאן סייעה לצפון היערכותו הטקטית: הקווים הפנימיים שבהם הייתה ארמיית הפוטומק ערוכה אפשרו למִיד להזרים תגבורות מן הקורפוס השני ולמנוע מהדרום להשתלט על מזרחה של הגבעה. החטיבות של ארלי נאלצו לסגת.
במהלך היום השני הגיעו סוף סוף הפרשים של ג'. א. ב. סטוארט, אך הם לא נטלו חלק בלחימה ביום זה.
היום השלישי.