第二天清晨，罗伯特·李首先集中自己的大炮猛烈轰击库奇的阵地，又发起了两次冲锋，但库奇很快就将其击退了。北军正准备反击南军的又一次进攻却半天不见敌人的动静，只见不远处山林中有军旗飘动，库奇估计罗伯特·李正在组织更大规模的进攻。但这次他错了，罗伯特·李其实是声东击西，早把主力部队悄悄运动到北军右翼，出其不意地向那里的北军发动了攻击。双方在这里激斗，北军凭借地形有利打退了敌人的多次进攻，南军的尸体在战场上到处都是，而北军也有很惨重的伤亡。
罗伯特·李从未遇见如此顽强的对手，进攻接连受挫，使他以前的傲慢自大全消失无踪，他怒气冲天，命令200多门大炮同时向右翼的北军开火，炮弹像冰雹一样落在联邦军的阵地上。山上的石头被炮火击中，掀了起来，呼啸着向空中飞去。紧接着5000骑兵如狂风般刮向北军阵地，骑兵的后面是如潮水般涌来的3万多步兵。双方在阵地前进入肉搏战，喊杀声使大地都震颤起来。到下午3点钟，南军突破了北军的右翼阵地，但也付出了惨重的代价。但不管怎样终于夺取了北军的阵地，罗伯特·李这时才稍感轻松一些。
天渐渐黑下来了，战场上一片沉静，经过两天激战的南军士兵疲倦不堪，尽管山上蚊虫成群，他们还是很快睡着了。不知睡了多长时间，他们突然被一阵喊杀声惊醒，朦朦胧胧中只见火光满山，北方军队已经冲上了阵地，许多人还没弄清楚怎么回事就永远躺在了地上。原来，米德抓住罗伯特·李一惯轻敌的毛病，决定趁其不备，在半夜偷袭，果然一举成功。白天失去的阵地又重新夺了回来。
7月3日，罗伯特·李开始急躁，连续两天遭受沉重打击，对于他来说是从来没有的事，而且南军的给养，弹药都急需补充，如果这样僵持下去对自己非常不利，必须尽快击溃米德，然后就可以挥师费城，在那里可以得到军需品，还能休整几天疲惫的部队。他决定前水一战，继续猛攻北军，这一天的战斗空前激烈，阵地几次易手，战马和士兵的尸体满山都是，山间小溪都被鲜血染红了。战斗一直持续到当晚10点钟，南军支持不住了，再也没有力量进攻。米德马上把前线胜利的消息报告给了林肯总统。
7月4日，林肯发表了讲话，他说：“葛底斯堡成了奴隶主军队的坟墓。至7月3日晚10时，光荣的波托马克军团，取得了辉煌的胜利。”7月4日夜间，罗伯特·李连夜渡过波托马克河，率残部仓忙撤退。
葛底斯堡大战，南方军队伤亡近3万人，北方军队也死伤2.3万人。这次战斗在内战中规模最大，也是内战的转折点，从此，南方军队由进攻转入防御，北方的最终胜利只是时间问题。