1862年初，聯邦軍在東西兩線發動進攻。在西戰區，2月6-16日，U.S.格蘭特指揮田納西軍團在艦炮火力支援下，先後攻克亨利堡和多納爾森堡。2-6月間，聯邦軍先後占領坎伯蘭河上的納什維爾和密西西比河上的哥倫布、十號島、新奧爾良和孟菲斯及科林斯等要地。至此，肯塔基州全部、田納西州大部和密西西比河大部地段為聯邦軍所控製。在東戰區，3月，G.B.麥克萊倫將軍率波托馬克軍團10萬餘人經水路進抵詹姆斯河與約克河之間的半島東端，隨後西進裏士滿，但進展遲緩，僅約克敦圍攻戰就耗時一個月，致使南軍預有準備。經“七日之戰”（6.25-7.1），R.E.李指揮北弗吉尼亞軍團挫敗聯邦軍的進攻，麥克萊倫被迫撤退。李乘勝揮師北上，於8月29-30日同J.波普指揮的弗吉尼亞軍團進行第二次布爾河之戰。聯邦軍再次受挫，損失1.4萬人。李軍團隨即北渡波托馬克河，威逼華盛頓。麥克萊倫率部於9月17日在安蒂特姆與李軍團鏖戰，擊退南軍，但未追擊，致使李軍團安然撤退。12月13日，A.伯恩賽德率波托馬克軍團12萬餘人與李軍團近8萬人在弗雷德裏克斯堡交戰，聯邦軍敗退，傷亡1.2萬餘人。
第二階段（1863-1865）由於聯邦軍在戰場上不斷失利，人民群眾強烈要求林肯政府以革命方式進行戰爭。1863年1月1日，林肯正式頒布《解放宣言》，宣布解放叛亂州黑人奴隸。這一革命性文件連同1862年5月頒布的《宅地法》，以及後來采取的武裝黑人、實行征兵製、懲治反革命分子等一係列措施，調動了廣大群眾尤其是黑人的積極性（戰爭期間黑人參軍約17.9萬人），從而使這場戰爭進入一個新階段。1863年5月1-4日，J.胡克率波托馬克軍團13.3萬人與李軍團6.2萬人在錢瑟勒斯維爾激戰，聯邦軍傷亡1.7萬人，南軍損失1.3萬人。6月，李軍團7.6萬人再次北上，攻入賓夕法尼亞州。7月初，G.G.米德率波托馬克軍團9萬人在葛底斯堡之戰中擊敗南軍。與此同時，西戰區格蘭特軍團取得維克斯堡之戰的勝利。聯邦軍的勝利扭轉了整個戰局，南軍從此逐步喪失戰略主動權。7月8日，聯邦軍占領哈得孫港，打通密西西比河，將南部同盟分割成東、西兩部分。9月9日，W.S.羅斯克蘭斯率坎伯蘭軍團攻占交通樞紐和工業中心查塔努加，取得向南部進攻的前進基地。11月23-25日，格蘭特率軍擊敗圍攻該城之敵。
1864年3月，林肯任命格蘭特為聯邦軍總司令，W.T.謝爾曼為西戰區司令。在林肯主持下，格蘭特與謝爾曼共同製定新的戰略計劃，決定東西戰區協同行動：格蘭特親率波托馬克軍團，以殲滅李軍團為主要目標，相機奪取裏士滿；謝爾曼由西向東南挺進，深入敵後，向沿海地區進軍，對南部同盟東部地區實施中間突破。4月底，格蘭特率11.8萬人南下，5-6月與李軍團6萬餘人在懷爾德尼斯、斯波契爾瓦尼亞和科爾德港等地交戰，損失5萬餘人，但迅速得到補充。6月15日，聯邦軍圍攻裏士滿以南的彼得斯堡，與南軍相持9個月之久。7月上旬，李派J.A.厄爾利率部2萬人奔襲華盛頓，北軍P.H.謝裏登將軍率部阻擊。同年8月-次年3月，在謝南多厄河穀之戰中，南軍厄爾利部被殲。在西戰區，謝爾曼率10萬大軍於1864年5月7日從查塔努加出發，進軍佐治亞，目標是殲滅南軍J.E.約翰斯頓重兵集團（5.3萬人），破壞南部的戰爭潛力。他采取穿插迂回戰術，於9月2日攻占亞特蘭大，11月16日率6.2萬精兵開始著名的“向海洋進軍”。為迷惑敵人，他分兵兩路，使約翰斯頓不明其主攻方向，防不勝防。23日，兩路兵力在米利奇維爾會合後繼續東進，於12月21日在海軍配合下攻占沿海重鎮薩凡納。這次無後方作戰行動，聯邦軍長驅300餘公裏，沿途搗毀南軍後勤基地，破壞其交通線，摧毀種植園，沉重打擊了奴隸製。1865年1月，謝爾曼揮師北上，配合格蘭特對南軍實施南北合擊。4月2-3日，格蘭特率部相繼攻占彼得斯堡和裏士滿。9日，李率殘部2.8萬人在阿波馬托克斯投降。26日，約翰斯頓也率部向謝爾曼投降。曆時四年的內戰至此結束。戰爭中，聯邦軍傷亡63萬餘人，南軍傷亡48萬餘人。
美國內戰是美國曆史上第二次資產階級革命，它不僅恢複和鞏固了聯邦的統一，摧毀了奴隸製，解放了生產力，為美國資本主義發展掃除了內部障礙，而且對歐洲革命、各國工人運動和黑人運動也產生了積極影響。