כיוון שהמהנדסים לא הצליחו לפרוש את הגשרים עקב אש רציפה של חיילי הקונפדרציה, קולונל נורמן הול (Hall) מפקד הבריגדה ה-3 (מהדיוויזיה של סאמנר) ביקש מברנסייד רשות לחצות את הנהר בסירות קלות יחד עם מספר חיילים כדי לתקוף את צלפי הדרום ולהבריח אותם. לאחר התלבטות, ברנסייד הסכים. שלושה רגימנטים מהבריגדה של הול (ה-7 ממישיגן, ה-19 ממסצ'וסטס, וה-89 מניו יורק) נבחרו למשימה והחלו לחצות את הנהר באזור הצפוני. תחילה נבלם הכוח התוקף במחצית הדרך בשל אש דרומית שנפתחה עליו, אולם בשעה 14:30 הגיע הרגימנט ה-7 לגדה המערבית והקים קו הגנה ארעי של רובאים בקצה העיר. חיילי הרגימנט השיבו אש אל צלפי הדרום, וצמצמו בכך את כמות האש שנורתה על המהנדסים באזור. הרגימנטים ה-19 ממסצ'וסטס וה-89 מניו יורק הגיעו לגדה המערבית בשעה 15:00 בערך והכוחות שהצטרפו החלו בהתקפה על העיר, כשהם נאלצים להילחם רחוב אחר רחוב, ובית אחר בית. לבסוף הושלמו הגשרים הצפוניים והאמצעיים בשעות הצהריים, וחיילי הצפון החלו לחצות את הנהר. ההרס בעיר בעקבות ההפגזה הארטילרית היה רב. מרבית הבתים הושמדו, אך כמות האזרחים שנפגעו הייתה קטנה, מאחר שמרבית תושבי העיר נטשו אותה זמן מה לפני הקרב. אף על פי שברנסייד הורה על איסור מוחלט של גנבת רכוש, חיילי האיחוד בזזו את העיר עד תום, דבר שהכעיס מאוד את חיילי הקונפדרציה ואת גנרל לי במיוחד.
בגזרה הדרומית גנרל ויליאם פרנקלין נתקל בהתנגדות חלשה, אולם הוא השלים את החצייה רק בצהרי 12 בדצמבר. לי העדיף לא לשלוח תגבורת שתפריע לחצייה עקב ריכוז הארטילריה של הצפון על רמת סטפורד. הדיוויזיה של סאמנר השלימה את החצייה לגדה המערבית ב-12 בדצמבר, ואילו הדיוויזיה של הוקר סיימה אותה למחרת היום. ברנסייד נפגש עם פרנקלין ומפקדי הקורפוסים שלו בשעות הצהריים המאוחרות של 12 בדצמבר כדי לדון על המתקפה המתכוננת ליום הבא. הוא תכנן כי פרנקלין בסיוע של הוקר יתקפו את האגף הדרומי, וסאמנר ישלח מתקפה משנית בצפון. ברנסייד סיים את הפגישה כשהוא מבטיח לפרנקלין שההוראות המדויקות ממנו יגיעו אליו מיד, אולם הם הגיעו אליו רק למחרת, בשעה 07:30 בערך. עד אז כבר זרחה השמש ואלמנט ההפתעה נעלם. ההוראות בכתב של ברנסייד היו מבולבלות ומעורפלות. בפקודות נכתב כי על פרנקלין לשלוח דיוויזיה אחת לפחות כדי לתפוס את השטח הגבוה של גבעת פרוספקט (Prospect Hill), סאמנר ישלח דיוויזיה אחת או יותר דרך העיר אל דרך טלגרף, ועל שני האגפים (כלומר של סאמנר ופרנקלין) להיות מוכנים להתקדם עם כל הפיקוד שלהם. שתי דיוויזיות מהכוח של הוקר יישארו מאחורי פרנקלין, ככוח עתודה. ברנסייד קיווה ככל הנראה שההתקפות החלשות האלו יגרמו ללי לסגת מהרכס הדרומי, או שיגרמו לו להעביר כוחות מהצפון לעבר הרכס, וכך תהיה לסאמנר הזדמנות לתקוף את רמת מרי'ס.
לי הביט בכוח הצפוני שנאסף להתקפה, והביע את חששותיו בפני לונגסטריט: . לונגסטריט, מעט משועשע מחששותיו של לי, השיב לו: .
המתקפה של פרנקלין, 13 בדצמבר.
את ההתקפה של פרנקלין על גבעת פרוספקט הובילה הדיוויזיה של מייג'ור ג'נרל ג'ורג' מיד מהקורפוס ה-1, בסיוע הדיוויזיות של בריגדיר ג'נרל ג'ון גיבון (Gibbon) באגף ימין ומייג'ור ג'נרל אבנר דבלדיי (Doubleday) באגף שמאל. הם החלו לנוע בשעה 8:30 בבוקר תחת ערפל כבד שהחל להתפזר רק ב-10:00. עם הגעתם למסילת הרכבת שלמרגלות הגבעה נפתחה לעברם אש צולבת ואש ארטילרית. מייג'ור ג'ון פלהאם (Pelham) מהדיוויזיה של סטיוארט התקדם יחד עם שני תותחים שנגררו על ידי סוסים ומספר רובאים לקווי ההגנה הדרומיים, והחל לפתוח באש מטווח קרוב על חייליו של מיד. גם לאחר שאחד מתותחיו יצא משימוש, פלהאם המשיך לעכב את מיד למשך כשעה, עד שהתחמושת שלו אזלה והוא נאלץ לסגת. אחד מקורבנות האש של פלהאם היה מפקד הפרשים באיארד. בהמשך, עם התפוגגות הערפל, הצטרפו גם תותחיו של ג'קסון בגבעת פרוספקט והמטירו אש על כוחות האיחוד והביאו לעיכוב של כשעתיים נוספות, כחצי קילומטר מיעדם.
מיד וגיבון המשיכו להתקדם יחד עם הדיוויזיות שלהם לעבר הגבעה תחת אש תותחי הקונפדרציה. קציני ארטילריה מהאיחוד הצליחו לזהות את רשף תותחי הדרום והחלו בהפגזת נגד ארטילרית שנמשכה כשעה, עד שמרבית תותחיו של גנרל ג'קסון יצאו מכלל פעולה. בשעה 13:00 הסתערו חייליו של מיד על מדרונות הגבעה והצליחו, תוך ניצול פער בקו ההגנה של הקונפדרציה, שנוצר בשל תנאי השטח: סבך שיחים ואדמת ביצה, לדרוס את קו ההגנה של בריגדיר גנרל מקסיי גרג (Gregg), כמה מאות מטרים מעבר לפער. חייליו של גרג הופתעו והחלו לסגת. גרג, שחשב בתחילה כי חיילי האיחוד המסתערים היו בעצם חיילי הקונפדרציה הנסוגים, רכב על סוסו בין חייליו והורה להם לא לפתוח באש. תוך כדי הרכיבה, כשהוא צועק לחייליו לנצור את נשקם, הוא נפגע מצלף בגבו, הופל מסוסו, ומת מפצעיו לאחר יומיים. הדיוויזיה של גיבון, שתקפה מימין למיד, הצליחה בהסתערות הראשונית, אולם חייליו הסתבכו ביער הצפוף שבגבעה, והם איבדו קשר עם הדיוויזיה של מיד. גנרל ג'קסון זיהה את האיום על קוויו והורה לדיוויזיות העתודה של בריגדיר גנרל טוליאפרו ובריגדיר גנרל ארלי להיכנס ליער ולפתוח במתקפת נגד על מיד. חייליהם הסתערו דרך היער לעברם של חייליו של מיד, וקרב פנים אל פנים קשה התפתח במקום. בנוסף לאלה, חיילים דרומיים שאיישו את הקו קודם שנפרץ, התעשתו, מעודדים מן התגבורת שהגיעה, וכך נוצר קו הגנה חילופי במקום זה הפרוץ. מיד, שחייליו החלו להיות מוקפים, שלח לפרנקלין מסר בהול בבקשה לתגבור, אולם נענה בשלילה. על כן, הורה מיד על נסיגה מסודרת מהגבעה.
התקפתו של גיבון, אל מול אויב ערוך וללא מחסה טבעי לתוקפים, נבלמה, כאשר רק מיעוט מבין החיילים הגיעו לטווח מגע עם כוחות הדרום, והוא נסוג. אחת הבריגדות מהדיוויזיה של גנרל ארלי החלה במרדף אחר חיילי האיחוד הנסוגים, הן של מיד, הן של גיבון. התקפת הנגד אומנם הצליחה לשבש את הסדר בקרב הנסוגים, אולם זו נבלמה על ידי אש הרובאים והארטילריה ממסילת הרכבת שחיפו על הנסיגה, וכן מאש של כוחות האיחוד שבשל עיכובים, טרם הספיקו לתקוף. בנוסף, תנועות של תגבורת של כוחות האיחוד שכנעה סופית את הדרומיים לחדול.
לאחר נסיגתו של מיד, פרנקלין נמנע מפעולות נוספות, למרות פקודה שקיבל מברנסייד לתקוף עם כל הדיוויזיה הגדולה שלו. הוא טען, שכל כוחותיו עסוקים במגע עם האויב, אם כי כוחותיו של דבלדיי, למשל, היו בטלים ממעש, כמעט, מאז התנגשויות אותו הבוקר.
סירובו של פרנקלין להשתמש בדיוויזיות העתודה שלו נבע ככל הנראה מהעובדה שהוא פרש את חייליו באופן רחב מדי, וחשש מהתקפת נגד של הקונפדרציה על אגפיו. בדוח שכתב לאחר הקרב, ציין מיד כי אבדות הדיוויזיה שלו הגיעו לכ-40 אחוזים מכלל הכוח שלו, ביניהם 179 הרוגים, 1,082 פצועים, ו-509 נעדרים. הוא סיכם באומרו כי אף על פי שהוא מתחרט על שלא הצליח להחזיק בעמדותיו, הדבר לא היה אפשרי ללא תגבורת והוא סירב להקריב את חייליו ללא סיבה. סטונוול ג'קסון קיווה לשלוח מתקפת נגד נוספת שתהדוף את חיילי האיחוד הרחק יותר, אך אש ארטילרית חזקה שנחתה על חייליו והחשיכה המתקרבת, שינו את דעתו. עם רדת הערב השקיפו הצדדים זה על זה, חיילי האיחוד מעמדותיהם ליד הגשר ובמישור מצד אחד, וחיילי הקונפדרציה בגבעה מהצד האחר.
ההתקפה על רמת מרי'ס, 13 בדצמבר.
על מערך ההגנה על רמת מרי'ס הופקד גנרל לונגסטריט המיומן, שכונה על ידי לי, מפקדו, "סוס המלחמה הזקן שלי". הדיוויזיות של לאפאייט מקלאוז ורוברט רנסום איישו את ההגנה על הרמה. חומת אבן לאורך "הדרך השקועה" (Sunken Road) שלמרגלות הרמה נתנה לחיילי הקונפדרציה מחסה יעיל ממנו יכלו לירות בחיילי הצפון המתקרבים בשטח המישורי. מאחוריהם התרכזה מסה של קני תותחים. בצד התוקף עמדה הדיוויזיה הגדולה של סאמנר ברחובות פרדריקסברג וחיכתה, תחת הפגזת הארטילריה של הדרום, לאות לתקוף. את ההתקפה על רמת מרי'ס הובילה הדיוויזיה של ויליאם פרנץ' (French) כשמאחוריה הדיוויזיה של ו.ס. הנקוק, שניהם מהקורפוס השני. הדיוויזיה של אוליבר הווארד תמכה בצד ימין של פרנץ', והדיוויזיות של ג'ורג' גטי וסמואל סטארגיס (Sturgis), משמאל. שלוש הבריגדות שהרכיבו את הדיוויזיה של פרנץ' תקפו בגלים: הבריגדה של בריגדיר גנרל קימבול (Kimball) בחוד, אחריה זאת של קולונל אנדרוז, ובסוף זו של קולונל פאלמר.
בשעה 12:00 בצהריים בערך החלה הדיוויזיה של פרנץ' להתקדם לעבר רמת מרי'ס תחת אש ארטילרית כבדה של הקונפדרציה. תותחי הצפון על רמת סטפורד לא יכלו להשיב אש מאחר שהטווח היה רחוק מדי. חייליו של פרנץ' התקדמו בשטח המישורי החשוף, חצו את התעלה הצרה שמפרידה בין העיר לרמה בעזרת שני גשרים והמשיכו לעבר חומת האבן למרגלות הרמה. הבריגדה המובילה של קימבול הגיעה עד למרחק של 100 מטרים בערך מחומת האבן, אך אש התותחים והרובים של חיילי הדרום פוררה את שורותיו ועצרה את ההתקדמות. הבריגדות של אנדרוז ושל פאלמר שהגיחו מאחור סבלו מגורל דומה. חייליו המוכים של פרנץ' החלו לסגת מהשדה, כשהם משאירים את הפצועים והמתים מאחור. אבדותיו של פרנץ' הסתכמו ב-1,153 הרוגים, פצועים ונעדרים, ביניהם גם קימבול שנפצע קשה.