No início da Batalha de Gettysburg, em 1 de julho de 1863, a divisão de Doubleday era a segunda divisão de infantaria em campo para reforçar a divisão de cavalaria do brigadeiro-general John Buford. Quando o seu comandante, o major-general John Reynolds, foi morto logo no início do combate, Doubleday encontrou-se no comando do corpo-de-exército. Seus homens lutaram bem na parte da manhã, oferecendo uma forte resistência aos ataques, mas quando a esmagadora força confederada avançou contra eles, sua linha finalmente foi quebrada e eles se retiraram em direção à cidade de Gettysburg para a relativa segurança de Cemetery Hill, ao sul da cidade. Foi o melhor desempenho de Doubleday durante a guerra, cinco horas no comando de homens contra dez brigadas confederadas que somavam mais de 16 000 homens. Sete dessas brigadas sofreram baixas que variaram de 35 a 50 por cento, indicando a ferocidade da defesa da União. Mas, em Cemetery Hill, o Primeiro Corpo-de-exército pode reunir apenas um terço dos seus homens capazes para a luta e o corpo foi essencialmente destruído como uma força de combate para o resto da batalha; seria desmantelado em março de 1864 e suas unidades sobreviventes fundiram-se a outros corpos-de-exército.