Tras su exitosa defensa de Knoxville, le ordenaron tomar el mando del XI Cuerpo en apoyo del Ejército del Potomac. Participó en gran parte de la Campaña Overland bajo la dirección de Ulysses S. Grant, incluyendo las batallas de Wilderness, Spotsylvania Court House, North Anna y Cold Harbor. Durante el asedio de Petersburg, Burnside comandó tropas en la batalla del Cráter, durante el cual una mina de la Unión excavada bajo posiciones confederadas fue llenada de explosivos y detonada, creando una brecha de cincuenta yardas en las líneas confederadas. Burnside no pudo explotar la brecha a tiempo, lo que resultó la pérdida de soldados de la Unión. Tras este fracaso, el 15 de abril de 1865 abandonó el Ejército.