הקרב החל ב-17 בספטמבר, בשעה 5:30 בבוקר, עם מתקפה של מייג'ור גנרל הוקר מצבא האיחוד. מטרתו של הוקר הייתה להתקדם קילומטר וחצי דרומה ולכבוש את כנסיית דנקר שישבה בשטח גבוה. מולו עמד מייג'ור גנרל סטונוול ג'קסון. תחת אש ארטילרית של שני הצדדים, התקדמו חייליו של הוקר בעקביות למרות אבדות כבדות שספגו, ובקרב פנים אל פנים שהתפתח בשדה תירס ספג צבאו של ג'קסון אבדות קשות ומחצית ממפקדיו נהרגו או נפצעו. ג'קסון הטיל לקרב את שתי חטיבות העתודה שלו בפיקודו של בריגדיר גנרל ג'ון הוד, כ-2,300 חיילים סך הכל. הוד בתורו הדף בחזרה את הוקר משדה התירס כשהוא מסב לו אבדות כבדות. לאחר הקרב הוד כתב בדוח: . הוקר קרא לעזרתו של הקורפוס ה-12 בפיקודו של ג'וסף מנספילד על 7,200 חייליו. מנספילד רכב לעבר אחד הרגימנטים שלו שהיה מעורב בחילופי אש באמונה כי הם יורים בטעות על חייליו הנסוגים של הוקר (כשלמעשה הם ירו בחיילי הקונפדרציה), הוא דהר עם סוסו בקו האש הקדמי בניסיון לעצור את חייליו אך נפצע אנושות מקליע ומת מפצעיו למחרת. אחד ממפקדי הדיוויזיה של מנספילד, בריגדיר גנרל אלפאוס ויליאמס, תפס פיקוד על הקורפוס ה-12, ופתח מיד בהתקפת נגד על חייליו של הוד בשדה התירס, כשהוא מצליח להדוף אותם דרומית ליער המערבי.
הוקר ניסה לחדש את ההתקפה של הקורפוס שלו, אך צלף של הקונפדרציה פגע ברגלו, והוא העביר את הפיקוד לבריגדיר גנרל ג'ורג' מיד. מקללן הורה למפקד קורפוס 2 אדווין סאמנר לשלוח שתיים מתוך שלוש הדיוויזיות שלו להתקפה באגף ימין של הקונפדרציה. אך התוכנית לא עבדה כמתוכנן; שתי הדיוויזיות הופרדו אחת מהשנייה ולא תקפו בתיאום. הדיוויזיה הראשונה בפיקודו של מייג'ור גנרל ג'ון סדג'וויק הגיע ליער המזרחי בשעה 9:00 בבוקר, אולם היא נכשלה במתקפה ונסוגה לאחר שספגה אבדות קשות. השלב הראשון בקרב הסתיים, עם כ-13,000 נפגעים בשני הצדדים, כולל שני מפקדי קורפוסים מהאיחוד.
שביל הדמים (13:00-9:30).
לאחר נסיגתו של סדג'וויק, הורה סאמנר לדיוויזיה השנייה תחת פיקודו של ויליאם פרנץ' לתקוף את המרכז של צבא הקונפדרציה בדרך סנקן שנודע כ"שביל הדמים" (Bloody Lane). מול 5,700 חייליו של פרנץ' עמדו רק כ-2,500 חיילי הדרום תחת פיקודו של מייג'ור גנרל דניאל היל, אך האחרונים תפסו עמדות הגנה חזקות. פרנץ' החל לתקוף בסביבות השעה 9:30 בשלושה גלים, אך כולם נכשלו בפריצת עמדות הדרום ונסוגו לאחר שספגו אבדות קשות. היל שיגר מתקפת נגד אך היא נבלמה. בפחות משעה איבד פרנץ' כ-1,750 חיילים (פצועים והרוגים). היל, שספג גם הוא אבדות לא קלות, ביקש בדחיפות תגבורת ולי נענה לבקשתו. הוא שלח את דיוויזיית העתודה האחרונה שלו תחת פיקודו של מייג'ור גנרל ריצ'רד אנדרסון לחזק את קוויו של היל. באותה שעה הגיעה תגבורת גם לפרנץ'; מקללן שלח את דיוויזיית העתודה של סאמנר בפיקודו של מייג'ור גנרל ישראל ריצ'רדסון לחיזוק אגף שמאל של פרנץ'.
ריצ'רדסון פתח בהתקפה נוספת על כוחות הדרום בדרך סנקן, כשאת המתקפה מוביל גדוד האירים. החיילים האירים שעמדו בשטח הפתוח, נורו מטווח קרוב, ו-1,000 מתוך 1,400 החיילים של הגדוד נפגעו בתוך זמן קצר, כולל מפקד הגדוד, ריצ'רדסון הצטרף לקרב עם הדיוויזיה שלו והלם קשות במגינים. בשעה 12:30 בערך, לאחר שספגו אבדות קשות, סבלו ממחסור בתחמושת וקיבלו פקודות מבולבלות, נסוגו חיילי הקונפדרציה מדרך סנקן לעבר העיר שרפסבורג.
הנסיגה מדרך סנקן חשפה פער גדול במרכז של צבא הדרום כאשר רק קומץ מגינים נשאר להגן על הדרך. לאחר הנסיגה כתב לונגסטריט: . דניאל היל הוביל מתקפת נגד בראשות 200 לוחמים כדי לעצור את חייליו של ריצ'רדסון, אך הם הובסו ונסוגו. לונגסטריט ומספר חיילים איישו מספר תותחים נטושים והחלו להפגיז את חיילי הצפון המתקדמים. ריצ'רדסון נפצע קשה מאחד הרסיסים, וההתקפה איבדה מתנופתה.
על אף שהמרכז של לי היה פרוץ, לא ניסה מקללן לתקוף ולנצל את הפירצה. הקורפוס השישי של פרנקלין על 12,000 חייליו וכמוהו גם הקורפוס החמישי של פורטר על 14,000 חייליו עמדו מוכנים להיכנס לקרב, אך מקללן הזהיר לא תקף, והורה לשני הקורפוסים ולדיוויזיה של ריצ'רדסון להחזיק בעמדותיהם. צבא הקונפדרציה ניצל מתבוסה. לאחר שלוש וחצי שעות של קרב היו כ-5,600 הרוגים ופצועים (משני הצדדים) מוטלים על דרך סנקן, שנודע לאחר הקרב כ-"שביל הדמים".
המתקפה של ברנסייד (16:30-10:00).
תוכניתו של מקללן הייתה לתקוף את אגף ימין של לי בעזרת הקורפוס ה-9 בפיקודו של מייג'ור גנרל אמברוס ברנסייד, שיחצה את גשר האבן מעל נחל אנטיאטם ויתקוף את חיילי הקונפדרציה בשרפסבורג. מקללן טען לאחר המלחמה כי הוא הורה לברנסייד לחצות את הגשר כבר בשעה 8:00 בבוקר, וכי לאחר שהתברר לו כי ברנסייד לא זז ממקומו, הוא שלח רץ כדי לברר את המצב. הרץ דיווח למקללן כי רק מעט תזוזה נראית אצל ברנסייד. הוא שלח רץ נוסף שחזר עם דיווח זהה. מקללן החליט לשלוח את לוטננט קולונל ויליאם סאקט שיצטרף לברנסייד עד אשר יחצה את הנהר. בדוח לאחר הקרב, כתב ברנסייד לטענתו כי הוא אכן קיבל ממקללן פקודה בשעה 8:00 לחצות את הגשר, אך בפקודה נוספת שקיבל שעתיים לאחר מכן נכתב: ".
הקורפוס ה-9 של ברנסייד כלל כ-12,000 חיילים בארבע דיוויזיות, בפיקודם של אורלנדו ווילקוקס, סמואל סטורגיס, אייזק רודמן וג'ייקוב קוקס, כולם בדרגת בריגדיר גנרל. מולם עמדו כוחות מדולדלים מאגפו של היל. כ-3,000 חיילים ו-12 תותחים בפיקודו של בריגדיר גנרל דייוויד ג'ונס הגנו על שרפסבורג, ועוד כ-400 חיילים בפיקודו של בריגדיר גנרל רוברט טומבס אשר הגנו על הגשר. תוכניתו של ברנסייד הייתה לתקוף את הגשר, ובו זמנית לחצות את הנחל פחות מקילומטר דרומית מהגשר, היכן שהייתה מעברה ולתקוף את אגף ימין של המגינים.
ההתקפה החלה בשעה 10:00, כשהרגימנט ה-11 מקונטיקט מהדיווזיה של רודמן קיבל פקודה לתקוף את המגינים על הגשר ולהרחיקם. לאחר כ-15 דקות של חילופי אש כבדים, ספג הרגימנט ה-11 אבדות קשות כולל מפקדם קולונל הנרי קינגסברי שנהרג, ונסוג. באותו זמן רודמן והדיוויזיה שלו החלו לנוע דרומה מהגשר בחיפוש אחר המעברה, אך הם גילו כי לא ניתן לחצות את הנחל בנקודה הזאת, מאחר שהגדה התנשאה לגובה של 60 מטרים. רודמן ואנשיו המשיכו כמה מאות מטרים דרומה, וחצו את הנחל במעברה אחרת.
ברנסייד ניסה לתקוף את הגשר פעם נוספת, ושלח למשימה את הרגימנטים ה-2 וה-6 מהדיוויזיה של סטורגיס. אולם חייליו של טומב השיבו באש ארטילרית וירי של צלפים ומוטטו את ההתקפה. הניסיון השלישי לכבוש את הגשר הוטל על הרגימנטים ה-51 מניו יורק וה-51 מפנסילבניה, גם הם מהדיוויזיה של סטורגיס. בערך בשעה 13:00 שני הרגימנטים, בסיוע של תותחי הוביצר הסתערו על הגשר וכבשו אותו. בערך באותו הזמן הדיוויזיה של רודמן חצתה את הנחל, וכך גם כוחות נוספים מהקורפוס של ברנסייד. טומב אומנם נאלץ לסגת יחד עם חייליו בחזרה לשרפסבורג, אך הוא הצליח לעכב את ההתקפה של ברנסייד בכשלוש שעות.
עברו עוד כשעתיים עד שכל חייליו של ברנסייד חצו את הגשר והתארגנו במערך קרבי. מקללן לא היה מרוצה מהעיכוב, ודרש מברנסייד להמשיך בהתקדמות לעבר שרפסבורג. לגנרל לי לא נותרו עוד עתודות שאיתם יוכל לחזק את אגף ימין שלו, והוא נאלץ לחכות לדיוויזיה הקלה של מייג'ור גנרל אמברוז היל. הדיוויזיה של היל (2,000 חיילים) עשתה דרך של כ-27 קילומטרים מהרפרס פרי עד שהגיעה לשרפסבורג בשעה 14:30 לערך. לי מיד הורה לו להתייצב עם אנשיו באגף ימין של ג'ונס.
בשעה 15:00 תקפה הדיוויזיה של אורלנדו ווילקוקס בהצלחה את הדיוויזיה של ג'ונס והגיעה עד לפאתי העיר שרפסבורג. משמאלו של ווילקוקס התקדמו רודמן ואנשיו תחת אש ארטילרית כבדה לדרך הארפר פרי. בשעה 15:30 הגיע היל לאגף ימין, מול הדיוויזיה של רודמן, ומיד שיגר התקפת נגד. אחת הבריגדות של היל תקפה את אגף שמאל של רודמן, שם היה הרגימנט ה-16 מקונטיקט שהוקם רק שלושה שבועות קודם לכן, והיה זה הקרב הראשון שלו. הרגימנט נשבר וברח משדה הקרב. חייליו של רודמן התקשו להבדיל בין אויב לידיד, מאחר שמרבית מחייליו של היל לבשו מדים של האיחוד שהם תפסו לאחר כיבוש הרפר פרי. הדיוויזיה של ג'ייקוב קוקס פתחה בהתקפת נגד על חייליו של היל, אך נאלצה לסגת לאחר זמן קצר.
הקרב הסתיים בסביבות בשעה 17:00 לערך. הקורפוס ה-9 של ברנסייד ספג כ-2,000 נפגעים בניסיון לכבוש את שרפסבורג, ביניהם גם רודמן שנפצע אנושות במהלך הקרב ונפטר כשבועיים מאוחר יותר. מכיוון שלא ידע מה גודל הכוח שתקף אותו, הורה ברנסייד לכל חייליו לסגת בחזרה לגדה המערבית של נחל אנטיאטם, ולהיכנס לעמדות הגנה. גם חייליו המותשים של לי נשארו בעמדותיהם המשקיפות על הגשר.
אחרי הקרב.
למחרת הקרב, בצהרי ה-18 בספטמבר, החל לי לסגת עם צבאו בחזרה לוירג'יניה. הוא חצה את נהר הפוטומק ונכנס לוירג'יניה למחרת. מקללן לא טרח לרדוף אחריו, ובמקום זאת העדיף להישאר בעמדותיו. המערכה על מרילנד הסתיימה. ב-3 באוקטובר ביקר הנשיא לינקולן את מקללן בשרפסבורג, והאיץ בו להיכנס לוירג'יניה ולהעביר את המלחמה לשטחן של מדינות הדרום. אולם מקללן התעקש כי הוא זקוק לעוד חיילים ולאספקה כדי לפתוח במתקפה. ב-25 באוקטובר מקללן עוד שהה בשרפסבורג, כאשר הוא שיגר לוושינגטון מברק בו הוא מסביר כי אין בכוחו לזוז מאחר שהסוסים שלו סובלים מעייפות. לינקולן השיב לו: . מקללן החל לנוע עם צבאו ולחצות את נהר הפוטומק ב-26 באוקטובר, אולם סיים את החצייה כעבור שבוע ימים. ב-7 בנובמבר, לינקולן המיואש ממקללן איבד את סבלנותו והדיח אותו מהפיקוד על ארמיית הפוטומק, כשאמברוס ברנסייד תופס את מקומו.