Đồn Donelson nằm trên sông Cumberland, được bố trí kiên cố hơn đồn Henry, Hải quân miền Bắc bắn phá nhưng không hạ nổi. Quân bộ của tướng Grant rượt đến trên đà truy kích Tilghman đã thử đánh gấp vào sau lưng đồn nhưng cũng không thành công, phải đóng quân bao vây. Ngày 15 tháng 2 quân miền Nam do chuẩn tướng John B. Floyd chỉ huy bất ngờ kéo ra phá vòng vây, tấn công vào cánh phải của quân miền Bắc (dưới quyền chỉ huy của chuẩn tướng John. A. McClernand) và đẩy lui được sư đoàn của McClernand nhưng không đủ sức vượt thoát. Tướng Grant sau đòn bất ngờ này đã củng cố lại và huy động binh sĩ mở cuộc phản công ác liệt vào cánh phải yếu ớt của quân miền Nam. Chuẩn tướng miền Nam Simon B. Buckner bị vây hãm trong đồn và trong thị trấn Dover, Tennessee, đã phải ra hàng với đội quân 11.500 người cùng nhiều đại bác và đồ tiếp tế, theo đúng yêu cầu "đầu hàng vô điều kiện" của tướng Grant. Kể từ đó Grant được đặt biệt danh Grant "đầu hàng vô điều kiện". Hai chiến thắng liên tiếp tại đồn Henry và Donelson là những thắng lợi quan trọng đầu tiên của miền Bắc. Hai con sông lớn Tennessee và Cumberland từ đó đã mở đường sẵn sàng cho cuộc xâm chiếm Tennessee.