Greene blev igen midlertidigt forfremmet til at lede sin division, der nu var en del af 12. Korps i Army of the Potomac, under Slaget ved Antietam. Hans divisions tre brigader blev anført af yngre officerer, som havde overlevet slaget ved Cedar Mountain. Selv om 12. Korps chef, brigadegeneral Joseph K. Mansfield blev dræbt kort tid efter at kampen var begyndt anførte Greene et ødelæggende angreb mod de konfødererede i nærheden af Dunker Church, og opnåede den dybeste gennemtrængning af generalmajor Stonewall Jacksons linjer opnået af nogen af Unionens enheder. Under voldsomt pres holdt Greene sin lille division (blot 1.727 mand ved dagens start) foran resten af hæren i fire timer, men trak sig til sidst tilbage efter at have lidt store tab. Mens hans division var sendt til Harpers Ferry, tog Greene tre ugers sygeorlov. Generalmajor Oliver O. Howard apekulerede på om at Greene, som så mange af sine kolleger, var syg af stanken af de døde og sårede ved Antietam. Da han kom tilbage var der udnævnt en ny chef for divisionen, brigadegeneral Geary. Greene var utilfreds med at Geary, som blot havde nogle få dages længere anciennitet end han, blev valgt til posten. Geary havde været såret ved Cedar Mountain og hans præstationer i kamp var ikke særlig gode, men det var hans politiske forbindelser, og der var en holdning om at en såret officer ikke skulle sættes tilbage i karrieren uden grund, og derfor fik han posten.