ב-1 בספטמבר 1862 הגיעה ברטון לתחנת פיירפקס, ונחרדה לראות אלפי חיילים פצועים רעבים וצמאים, חשופים לקרני השמש הלוהטת. במשך יומיים תמימים עבדה ברטון ללא הפוגה כדי לספק לחיילים מזון ובגדים נקיים וכן ולחבוש את פצעיהם לקראת פינויים ברכבת לוושינגטון. ב-14 בספטמבר היא כבר הספיקה לטפל בפצועי הקרבות שהתחוללו בקרב הרפרס פרי (Harpers Ferry) ובקרב סאו'ת מאונטיין (South Mountain). כשהיה מחסור בתחבושות, היא ידעה לאלתר. היא השתמשה בעלי התירס שגדלו בשדות במקום בתחבושות, כפי שאירע בקרב אנטיאטם במרילנד, שהיה הקרב העקוב מדם בהיסטוריה הצבאית של ארצות הברית עד אותה עת, ובו נפגעו כ-23,000 חיילים משני הצדדים. עוד בטרם החל הקרב הגיעה ברטון לשדה ב-17 בספטמבר 1862 יחד עם צבא הפוטומק ועם עגלות האספקה שלה שהיו עמוסות בציוד רפואי שהיה מיועד לצוות הרפואי ולמנתחים. ברטון סייעה למנתחים בעבודתם, ולאחר שהייתה עדה מקרוב לכמה ניתוחים כירורגיים, למדה להסתגל למראה קטיעתם של איברים שבוצעו ללא שימוש בכלורופורם (חומר הרדמה שהיה נפוץ באותה עת). הקרב על אנטיאטאם כמעט שם קץ לחייה, כאשר כדור פילח את שרוול שמלתה והרג את הפצוע שבו טיפלה. במשך שישה שבועות עבדה ברטון ללא הרף בשדה, עד שחלתה בקדחת הטיפואיד (Typhoid fever), שבעטיה חזרה לוושינגטון כדי להחלים.