Руководство Севера приняло срочные меры по спасению гарнизона и жителей осажденной Чаттануги. Уже 23 сентября президент А. Линкольн провел совещание, на котором было решено направить к Чаттануге 11-й и 12-й корпуса Потомакской армии под командованием Дж. Хукера (почти 20 тысяч человек). Уже в конце сентября первые подразделения Потомакской армии стали прибывать в Бриджпорт — основную базу снабжения гарнизона и жителей Чаттануги.

В это время генерал У. Грант находился в госпитале со сломанной ногой. Он не успел еще залечить ее, как получил предложение принять командование новым огромным округом — Миссисипским. Грант согласился и первым делом сместил нерешительного и трусливого Розенкранса с поста командующего Камберлендской армией, назначив вместо него Дж. Томаса. Грант послал в Чаттанугу Томасу телеграмму с приказом держаться во что бы то ни стало.

К вечеру 23 октября Грант прибыл в Чаттанугу. Началась подготовка к прорыву осады. Уже днем 26 октября солдаты Хукера выступили в поход из Бриджпорта. Отбросив небольшие отряды южан, войска Хукера к ночи подошли к переправе Колли. В ночь на 27 октября 12 тысяч солдат Хукера (остальные 8 тысяч остались в Бриджпорте для охраны этого важного пункта) вместе с 1,5 тысячью солдат Томаса, которые приплыли из Чаттануги на 60 лодках-понтонах, стремительно атаковали охрану южан на переправе, разогнали ее и в течение часа соорудили понтонный мост. В это же время другая группа северян захватила переправу Брауна, находящуюся в излучине Теннесси.

В результате этой операции днем 27 октября в Чаттанугу вошел длинный обоз с продовольствием, обмундированием и боеприпасами. Особенно солдаты оценили крекеры, вошедшие в их рацион, поэтому они назвали открывшуюся трассу крекерной дорогой . Брэгг пытался ликвидировать эту дорогу в ближайшую же ночь, но северяне отбили натиск южан. Открытие крекерной дороги означало частичное снятие блокады Чаттануги и послужило причиной перелома в настроении осажденного гарнизона, не чувствовавшего себя более обреченным на длительную осаду и голодную смерть.

Готовясь к деблокированию Чаттануги, Грант изучил все укрепления города и его окрестностей, внося исправления в неточные карты. Он с нетерпением ожидал подхода армии У. Шермана, который прибыл в Бриджпорт к 15 ноября, 17-тысячная армия Шермана проделала по железным дорогам и на судах по рекам путь в 675 миль и почти без отдыха сразу же двинулась к Чаттануге.

Грант предложил Шерману оригинальный план: имитировать уход из Чаттануги в направлении Ноксвилла, а затем повернуть назад и возвратиться к Чаттануге с северо-востока, чтобы нанести мятежникам неожиданный удар. К южанам были отправлены дезертиры с информацией о том, что в Чаттануге царит голод и нечем кормить даже армию Шермана, которую и решено отправить в Ноксвилл. Брэгг еще до этого отправил в Ноксвилл 20-тысячный корпус, а поверив дезинформации, — еще и корпус Букнера. В результате армия Брэгга насчитывала 40 тысяч человек, в то время как у Гранта была 61 тысяча опытных солдат Шермана, Томаса и Хукера.

Выполняя план Гранта, армия Шермана действительно прошла некоторое расстояние по западному берегу Теннесси, затем переправилась обратно и стремительно двинулась к Чаттануге. На рассвете 23 ноября солдаты Шермана вышли к северной оконечности хребта Миссионер и почти без боя заняли первые траншеи мятежников. В тот же день части Томаса атаковали противника у юго-восточных окраин Чаттануги, оттеснив его к западному подножию Миссионера.

Рано утром 24 ноября бой возобновился, но части Шермана остановились у железнодорожного тоннеля, проходившего сквозь хребет Миссионер, так как перед ним лежало ущелье, не обозначенное на картах. Подходы к тоннелю были тщательно укреплены мятежниками и охранялись опытными снайперами.

В это же время солдаты Хукера начали наступление на траншеи южан у горы Дозорная высотой 500 футов и к двум часам дня овладели вершиной, считавшейся неприступной. Было захвачено несколько орудий и 2,5 тысячи пленных, остатки мятежников отступили по восточному склону горы. День был безоблачным, но северяне карабкались вверх почти на ощупь в густом тумане, поэтому этот бой чуть позже был назван битвой за облаками .

Части Томаса в тот день простояли на месте, так как Грант накануне приказал им атаковать одновременно с Шерманом, а тот застрял у тоннеля. На третий день рано утром Шерман возобновил атаки на позиции мятежников у тоннеля, но понес большие потери и остановился. Томас опять не поддержал Шермана, полагая, что ему надо дожидаться Хукера, а тот после успешного боя на Дозорной двигался крайне медленно и На несколько часов застрял у небольшой речки. Тогда Грант приказал Томасу начать наконец наступательные действия, атаковать правый фланг южан, занять их окопы у подножия Миссионера и двигаться дальше. Это была решающая фаза сражения. Из форта Вуд был дан условный сигнал шестью орудийными выстрелами, следовавшими один за другим. 24,5 тысячи солдат и офицеров Камберлендс-кой армии ринулись вперед, прорвались в мертвую зону , где огонь противника уже не мог их достать. Не выдержав этого натиска, южане побросали винтовки и побежали вверх по склону хребта. Наступавшие не стали закрепляться в окопах, а в едином порыве бросились дальше к вершине Миссионера под ураганным огнем противника. Грант пытался выяснить, кто отдал приказ об этом штурме; оказалось, что этот подвиг совершен без приказа. Один из генералов говорил так: Когда эти ребята заведутся, всем чертям ада не остановить их .

Командующий мятежников Брэгг перебросил к Миссионеру часть войск с правого фланга, но это уже не могло спасти положения. Северяне приближались к вершине хребта. Южане поджигали запалы ядер и сотнями сбрасывали их на головы наступавшим солдатам, но и это не помогало. Почти одновременно в шести разных местах на гребень хребта ворвались дивизии Шеридана, Вуда, У. Хейзена, Бэйрда, Э. Джонсона и Уайтейкера. Шеридановцы буквально опрокинули штаб-квартиру Брэгга, который бежал со своей свитой. Некоторые группы южан пытались сопротивляться и даже контратаковать. Например, дивизия Пэта Клебурна сумела создать арьергард и какое-то время сдерживала натиск частей Шеридана, вырвавшихся вперед. Большая часть Камберлевдской армии, совершив почти чудо, остановилась на вершине хребта, не в силах продолжать преследование противника. Они провозгласили клич: Чикамога! —в память о погибших два месяца назад у Кровавой реки товарищах. А дивизия Шеридана продолжала преследование противника вплоть до темноты. Южан почти нагнали у ручья Чикамога, но большинство успело переправиться по понтонному мосту. Тогда Шеридан приказал поджечь его; в результате несколько сот южан, не успевших переправиться, попали в плен.

Потери южан в сражении при Чаттануге составили 6 667 человек, в том числе 361 убитыми; северяне потеряли 5 824 человека, в том числе убитыми — 753. Северяне захватили 6,2 тысячи винтовок, около 400 орудий, от 4 до 5,5 тысяч пленных. К концу 1863 года была снята осада с Ноксвилла.

Победа при Чаттануге привела к тому, что вся долина р.Миссисипи оказалась под контролем армии Севера. Это создавало предпосылки для перехода федеральной армии в наступление. Стратегическая инициатива стала переходить в руки северян, они превосходили к этому времени южан в численности войск, в моральном состоянии, вооружении и военном искусстве. После сражения при Чатаннуге наступил окончательный перелом в гражданской войне в пользу Севера. В 1864 году армии Севера под общим командованием У. Гранта приступили к осуществлению нового стратегического плана. 6 мая 80 тысяч солдат генерала Шермана начали знаменитый рейд к морю и достигли его 21 декабря, а к марту 1865 года овладели почти всей Южной Каролиной, то есть вторглись в глубокий тыл Конфедерации. Армия генерала Гранта в мае 1864 года начала наступательные действия против основных сил южан, защищавших подступы к Ричмонду — столице Конфедерации. В апреле 1865 года Ричмонд был взят, мятежные штаты потерпели полное поражение. Большой вклад в эти победы внес лично Улисс Грант чрезвычайно популярный в то время среди солдат и населения. 2 марта 1864 года сенат утвердил Гранта в звании генерал-лейтенанта, а с 10 марта он стал главнокомандующим всеми вооруженными силами. В 1866 году Грант получил звание генерала армии, некоторое время был военным министром, а в 1869—1877 годах — президентом США.