אחרי התעכבות של מספר שבועות בטולהומה, תכנן רוזקרנס לגרש את בראג מצ'טנוגה על ידי חציית נהר טנסי, איגוף רחב של צ'טנוגה מדרום, וניתוק קווי האספקה של צבא הקונפדרציה ממקורותיו בג'ורג'יה. הוא החל במבצע ב-18 באוגוסט, בפוצחו בהפגזה כבדה של צ'טנוגה כהטעיה. בראג אכן נסוג מצ'טנוגה, ורוזקרנס רדף אחריו אל ההרים הסלעיים והמבותרים של ג'ורג'יה. הפיקוד העליון של הקונפדרציה תיגבר את בראג בדיוויזיה ממיסיסיפי, וכן בגייס בפיקודו של ג'יימס לונגסטריט אשר לחם קודם לכן עם רוברט א. לי בארמיית צפון וירג'יניה. בראג ניסה ללכוד את אחד מגייסותיו של רוזקרנס, להביסו, ואחר כן לתקוף את הכוחות הנותרים; אולם רוזקרנס גילה את המלכודת וריכז את כוחותיו. בראג פתח בקרב צִ'יקָמוֹגָה (19–20 בספטמבר 1863) בהשיקו מתקפה בת שלוש דיוויזיות נגד כוחותיו של רוזקרנס. ביום הראשון ובבוקר היום השני נהדפו כל התקפות הקונפדרציה. אי הבנה בין מפקדי יחידותיו של רוזקרנס, בעת שתיגברו את החזית, יצרה פירצה שאותה ניצל לונגסטריט. לונגסטריט, אשר הגיע לשדה הקרב מווירג'יניה רק בלילה שבין היום הראשון והשני, תקף בנחישות, ושלח את האגף הימני של צבא האיחוד ביחד עם חבורת הפיקוד של רוזקרנס לנסיגה מבוהלת לעבר צ'טנוגה. האגף השמאלי של האיחוד בפיקודו של מייג'ור ג'נרל ג'ורג' הנרי תומאס (אשר זכה מאוחר יותר לכינוי "הצוק של צ'יקמוגה") נשאר עומד איתן, ומנע תבוסה מוחלטת של האיחוד. רוזקרנס, אשר היה שבור פסיכולוגית מן התבוסה, הסיג את כוחותיו אל צ'טנוגה, ובראג הטיל מצור על העיר בתופסו את השטחים השולטים. קרב צ'יקמוגה היה הקרב עם מספר האבדות הגדול ביותר בזירה המערבית, ושני רק לקרב גטיסברג במלחמה כולה.