Doubleday førte igen divisionen, som nu var en del af I Korps i Army of the Potomac, efter Slaget ved South Mountain, hvor Hatch igen blev såret. I slaget ved Antietam førte han sine mænd ind i den morderiske kamp i majsmarken og West Woods, og en oberst beskrev ham som en "tapper officer ... bemærkelsesværdig koldblodig og helt i front under slaget." Han blev såret, da en artillerigranat eksploderede i nærheden af hans hest, som kastede ham til jorden i et voldsomt fald. Han blev forfremmet til midlertidig oberst i den regulære hær for sin indsats ved Antietam og blev i marts 1863 forfremmet til generalmajor i den frivillige hær med rang fra den 29. november 1862. I slaget ved Fredericksburg i december 1862 var hans division stort set ubeskæftiget. I løbet af vinteren blev I Korps reorganiseret, og Doubleday overtog kommandoen over 3. division. I Slaget ved Chancellorsville i maj 1863 blev divisionen holdt i reserve.