1864年4月、チェンバレンはポトマック軍に戻り、ピーターズバーグ包囲戦直前に旅団長に昇格した。6月18日の第二次ピーターズバーグの戦いにおける主要戦闘で、右腰と脚の付け根を貫通する銃弾を受けた。チェンバレンはその傷にも拘わらず、剣を引き抜いてそれを地面に立てて直立姿勢を保ち、退却の気分が高まるのを食い留めた。チェンバレンはそのまま数分間立ち続けたあとに倒れて、失血のために気を失った。その傷について師団軍医は致命傷と見なし、チェンバレンは死ぬものと予測した。チェンバレンの戦死がメイン州の新聞で伝えられ、北軍総司令官ユリシーズ・グラント中将はチェンバレンを准将に戦場昇進させた。グラントは様々な理由でそれほど迅速にチェンバレンを昇進させたが、その理由の一つはチェンバレンが死んだという誤報がグラントに届いたことだった。生きていると期待されていなかった（繰り返すがメイン州の新聞で報じられ、グラントには誤報が届いた）チェンバレンは驚くべき意志と勇気を示して、11月にはその部隊に戻った。妻のファニーを含め多くの者がチェンバレンに除隊を勧めたが、チェンバレンは終戦まで従軍することに決めていた。