Впоследствии служил в Потомакской армии, приняв участие в каждой кампании и большинстве крупных сражений от Энтитема до Аппоматтокса; был несколько раз ранен, дважды серьёзно. Был награждён Медалью Почёта Конгресса за оборону Раунд-Топ во время сражения при Геттисберге 2 июля 1863 года, после чего был назначен командовать бригадой. 18 июня 1864 года был повышен до бригадного генерала на поле боя генералом Грантом за проявленную храбрость, в начале следующей весны получил за храбрость временное повышение до генерал-майора. В кампанию 1865 года командовал двумя бригадами 1-й дивизии V корпуса. После окончания войны и расформирования этой армии ему предложили звание полковника в регулярной армии, но Чемберлен по причине множества ранений отказался и в январе 1866 года возвратился в Мэн.