Chiến dịch Chattanooga bắt đầu ngày 24 tháng 11 năm 1863, khi Hooker chiếm núi Lookout, một trong hai cao điểm quan trọng nhất quanh thành phố. Hôm sau, Grant lên kế hoạch bao vây các vị trí của Bragg trên cao điểm còn lại là đỉnh Missionary: Sherman tấn công từ phía bắc, Hooker từ phía nam, và Thomas chiếm giữ trung tâm. Nhưng cuộc tấn công của Sherman bị sa vào hỗn loạn, Grant liền ra lệnh cho Thomas mở một cuộc công kích phụ để giảm bớt áp lực cho Sherman. Đạo quân của Thomas, hăng hái và nôn nóng muốn rửa nhục cho trận Chickamauga, đã đột phá tràn lên tận đỉnh núi, phá vỡ trận tuyến quân miền Nam và buộc họ phải rút chạy. Chattanooga được giải cứu; cùng với thất bại của Longstreet trước Burnside trong chiến dịch Knoxville, khu vực nhạy cảm chính trị Đông Tennessee đã hoàn toàn tuột khỏi tay miền Nam. Đường tiến quân từ đây đã mở rộng dẫn trực tiếp đến Atlanta và trung tâm của Liên minh miền Nam. Bragg, nhờ vào mối quan hệ cá nhân với Tổng thống Liên minh miền Nam Jefferson Davis nên đã được giữ nguyên chức vụ sau những thất bại ở Perryville và Stones River, cuối cùng đã bị bãi nhiệm và thay thế bởi Đại tướng Joseph E. Johnston.