ג'ונסטון החל להניע את כוחותיו מערבה על מנת לחבור אל פמברטון כאשר שמע על תבוסתו של זה בקרב צ'מפיון היל (16 במאי) ובקרב נהר ביג בלאק (17 במאי). הניצולים מן הקרב נסוגו אל תוך ביצורי ויקסבורג. ג'ונסטון דחק בפמברטון להימנע מכיתור ולעזוב את העיר על מנת להתאחד עם כוחותיו, שיחד היו רבים משל גרנט, אולם דייוויס הורה לפמברטון להגן על העיר בעדיפות עליונה. גרנט ביצע שתי התקפות חזיתיות אל מול ביצורי העיר שנכשלו שתיהן, ואז פתח במצור. החיילים והאזרחים הנצורים בעיר חיכו לשווא לכוח הקטן של ג'ונסטון שיבוא לעזרם. עד סוף מאי אסף ג'ונסטון כ-24,000 חיילים אך דרש תגבורות נוספות לפני התקפה על גרנט. הוא שקל להורות לבראג לשלוח תגבורות, אך חשש שדילול כוחו יביא לאובדן טנסי. בתקופה זו תוגברה ארמיית הטנסי של גרנט בכ-30,000 חיילים וכוחו הגיע לכ-77,000 חיילים, מה שאיפס למעשה כל סיכוי לפרוץ את המצור על העיר. פמברטון וחיל המצב בוויקסבורג נכנעו ב-4 ביולי 1863. עם נפילת פורט האדסון שבוע אחר כך עברה השליטה על המיסיסיפי לכול אורכו לידי האיחוד, והקונפדרציה בותרה לשניים. נשיא הקונפדרציה דייוויס כתב כי ויקסבורג נפלה "עקב מחסור באספקה מבפנים, וגנרל מבחוץ [ג'ונסטון] שלא רצה להילחם."