Ende 1863 gelang es Burnside, in das unionsfreundliche Osttennessee vorzustoßen und dessen wichtigste Stadt Knoxville zu besetzen. Einer anschließenden Gegenoffensive und Belagerung durch konföderierte Truppen unter James Longstreet konnte er bis zum Entsatz standhalten, wodurch er seinen beschädigten Ruf vorerst wiederherstellen konnte. Der neue Oberbefehlshaber Ulysses S. Grant beorderte Burnside mit seinem Korps wieder nach Virginia, um an der geplanten Frühjahrsoffensive 1864 teilzunehmen. In den Schlachten in der Wilderness, bei Spotsylvania und bei Cold Harbor waren seine Truppen jedoch nur mäßig erfolgreich, und die sogenannte Kraterschlacht bei Petersburg am 30. Juli 1864, die von Burnside persönlich geplant, aber von seinen Untergebenen höchst dilettantisch ausgeführt wurde, bedeutete das Ende seiner militärischen Karriere. Er erhielt kein weiteres Kommando mehr und quittierte unmittelbar nach dem Ende der Kampfhandlungen im April 1865 den Dienst.