Zu diesem Zeitpunkt der Belagerung hatte Lees Armee die Petersburger Linie verstärkt. Sie gruben Brustwerke aus Gewehrgruben aus. Nachts verwandelten sie diese mit Hacke und Schaufel in 1,8 m (6 Fuß) tiefe Gräben. Nach außen gerichtete spitze Pfähle sollten alle Frontalangriffe aufbrechen. Das Gebiet zwischen den beiden Linien wurde zum Niemandsland. Der Sommer desselben Jahres war heiß und trocken. Bäche und Quellen trockneten schnell aus und verursachten Wassermangel auf beiden Seiten. Die Belagerung entwickelte sich schnell zu einer Pattsituation.
In einem Teil der Unionslinie, der nur 150 m (500 Fuß) von der Linie der Konföderierten entfernt war, wurde das 48. Regiment aus Pennsylvania eingegraben. Sie befanden sich unterhalb der Spitze eines Bergrückens und ein Teil ihrer Linien konnte von den Konföderierten nicht gesehen werden, da sie durch das Gelände blockiert waren. Das 48. Regiment von Pennsylvania bestand aus Anthrazitkohlenbergleuten. Ihr Kommandeur hörte seine Männer sagen: "Wir könnten dieses verdammte Fort in die Luft sprengen, wenn wir einen Minenschacht darunter verlegen könnten! Er gab die Idee an Burnside weiter, der der Idee zustimmte und am 25. Juni mit dem Graben begann. Die Konföderierten auf dem Bergrücken begannen das Geräusch von Hacken und Schaufeln unter ihnen zu hören. Sie gruben mehrere Lauschschächte. Aber als die Grabgeräusche am 23. Juli aufhörten, hörten sie auf zu suchen und schlossen jede Gefahr durch den Bergbau aus. Am Nachmittag des 28. Juli war der Sprengstoff fertig. Die Vierte Division von Burnside, darunter neun Regimenter afroamerikanischer Truppen, wurde ausgebildet, den Krater, den die Explosion verursachen würde, zu umgehen und unmittelbar nach der Explosion anzugreifen. Es waren frische Truppen, und ihre Moral war hoch. In letzter Minute wurde der Plan von Burnside von seinem Kommandeur General Meade geändert, um weiße Truppen zu entsenden. Meade sagte, er wolle nicht für das "Massaker" an farbigen Truppen verantwortlich sein.
Kurz vor 5:00 Uhr morgens sprengte die Explosion eine Artilleriebatterie der Konföderierten und den größten Teil eines Infanterieregiments. Die Explosion tötete mindestens 278 Konföderierte auf der Stelle. Der durch die Explosion verursachte Krater war mehr als 52 m (170 Fuß) lang, 18 m (60 Fuß) breit und 9,1 m (30 Fuß) tief. Nach der Explosion verließen die untrainierten Unionstruppen ihre Gräben nur langsam. Anstatt dem Krater auszuweichen, rannten sie direkt in den Krater hinein. Die Wände des Kraters legten roten Lehm frei, so dass sie zu rutschig waren, um aus dem Krater herauszuklettern. Die Eidgenossen erholten sich schnell und begannen, direkt auf die ungeschützten Unionstruppen zu schiessen. Um zu versuchen, die Situation zu retten, befahl Burnside nach vier Stunden Kampf, die schwarzen Truppen anzugreifen. Zu diesem Zeitpunkt konnten sie den weissen Soldaten nur noch in den Krater folgen. Sie mussten sich ihren Weg an den toten, verwundeten und demoralisierten weißen Truppen vorbeizwängen, um in den Kampf zu gelangen. Als sich weitere Konföderierte anschlossen, errichteten sie ein gewaltiges Kreuzfeuer in den Krater. Mörsergranaten wurden auf die Unionstruppen abgeworfen, und die Kanonen der Konföderierten wurden bis an den Rand gerollt und feuerten Kanonenschüsse auf die im Krater gefangenen Soldaten ab. Die Situation verwandelte sich schnell von einer einseitigen Schlacht in einen Rassenaufstand. Als die Unionssoldaten kapitulierten, bekamen die schwarzen Soldaten kein Pardon. Diejenigen, die sich ergeben durften, wurden von konföderierten Truppen ermordet, als sie nach hinten marschierten. Einige Konföderierte drückten später ihr Bedauern darüber aus, dass sie sie nicht schnell genug töten konnten, da einige wenige schwarze Truppen es lebendig nach hinten schafften.
Die Kämpfe dauerten achteinhalb Stunden. Das IX. Korps von Burnside erlitt 3.800 Tote. Lees Armee verlor etwa 1.500, die getötet, verwundet oder vermisst wurden. Aber die schwarzen Truppen verloren 1.327 Männer, von denen 450 kapitulierten. Die meisten von ihnen wurden von konföderierten Soldaten ermordet, als sie unter Bewachung nach hinten marschierten. Der Misserfolg und das Entsetzen über die Ereignisse in der Kraterschlacht führten dazu, dass Burnside von seinem Kommando entbunden wurde. Er wurde auf unbestimmte Zeit beurlaubt und erhielt keinen Befehl zur Rückkehr in den Dienst. Dies beendete praktisch seine Armeelaufbahn. Weniger als neun Monate später, am 15. April 1865, trat er aus der Armee aus.