6月15日，格兰特的大军开始通过浮桥渡过詹姆斯河，向彼得斯堡进发。彼得斯堡位于里士满以南的阿波马托克斯河（Appomattox River）上，是一座拥有 18000 人的繁荣城市，同时也是重要的十字路口和铁路交汇处。由于彼得斯堡是整个地区的主要补给基地和火车站，如果北军占领该市，将使李将军无法继续保卫南方首都里士满。 对彼得斯堡的攻击标志着格兰特的战略已经发生重大调整，从寻求在开阔地带击败北弗吉尼亚军团转变为夺取一个具有战略价值的地理目标，并最终将北弗吉尼亚军团围困在那里。 然而此时，李将军依旧认为格兰特的首要目标是里士满，因此只部署了 P.G.T 博勒加德将军（Gen. P.G.T. Beauregard）麾下的少量部保卫彼得斯堡。
彼得斯堡受到多道防御工事的保护，其中最外层被称为迪莫克防线（Dimmock Line），这是一条位于城市东部、由工事和战壕组成的防线，长 10 英里，有 55 个堡垒。该防线由前弗吉尼亚州州长亨利·A·怀斯准将（Brig. Gen. Henry A. Wise）指挥下的 2500名南军士兵防守。 尽管防御工事数量众多，守军数量的严重不足使得防线上有几个地方，骑兵可以在不被发现的情况下轻松穿过，直达城市的内防线。
由于在百慕大韩垂战役中表现不佳，格兰特选择了让本杰明·巴特勒（Benjamin Butler）麾下的詹姆斯军团（Army of the James）前往彼得斯堡。 6 月 14 日，他指示巴特勒增援由史密斯准将指挥的第十八军。此时该军的兵力为 16000 人，其中包括奥古斯特·考茨（Brig. Gen. August Kautz）的骑兵师。
6 月 15 日黎明后不久，鲍尔迪·史密斯和他的部下渡过了阿波马托克斯河。考茨的骑兵带头推进，在彼得斯堡东北部的贝勒农场（Baylor's farm）遇到了一个意想不到的据点。爱德华·W·辛克斯将军（Brig. Gen. Edward W. Hinks）的部下对南军发动了两次攻击并夺取了一门大炮，但整体推进被延迟。 史密斯在晚上 7 点左右才开始进攻。他部署了一条 3.5 英里长的强大突击线，迫使南军撤退到哈里森溪（Harrison's Creek）上一条较弱的防线。 尽管取得了初步的成功，而且前方是一座几乎没有设防的城市，史密斯还是决定等到黎明再继续进攻。 此时，第二军司令汉考克少将已抵达史密斯的总部。 汉考克向来行事果断并且军衔高于史密斯，但他对自己的命令和部队部署并不确定，于是一反常态地听从史密斯的判断，让部队等待。
博勒加德将军充分利用了额外获得的时间。 由于里士满方面没有对他的紧急增援请求作出回应，他单方面决定从百慕大韩垂撤掉防御，从而使罗伯特·霍克少将（Maj. Gen. Robert Hoke）和布什罗德·约翰逊少将（Maj. Gen. Bushrod Johnson）的两个师可以加入彼得斯堡的新防线。到 6 月 16 日早上，博勒加德已经在他的防线上集中了大约 14000 名士兵，尽管这与当面的 50000 名北军士兵相比依然相形见绌。
6 月 16 日，格兰特随伯恩赛德少将的第九军抵达，解决了汉考克命令中的混乱问题，并下令侦察防线上的薄弱环节。 在米德少将到来之前，汉考克临时指挥波托马克军团。他将史密斯的第十八军部署在右侧，他自己的第二军部署在中间，伯恩赛德的第九军部署在左侧。 汉考克的袭击于当天下午 5 点 30 分左右开始。 随着北军三个军团缓缓前进，博勒加德的部队进行了激烈的抵抗，并在被突破地段的后方竖起了新的胸墙。 米德将军抵达后，下令进行第二次攻击。弗朗西斯·C·巴洛准将（Brig. Gen. Francis C. Barlow）率领他的师前进并成功夺取了他们的目标，但南军的反击将他们击退并俘虏了大量战俘。该师的幸存者随即在南军工事的附近也挖掘自己工事。
6 月 17 日是北军无协调进攻的一天。黎明时分，伯恩赛德第九军的两个旅从左翼发起进攻。他们在罗伯特·B·波特将军（Brig. Gen. Robert B. Potter）率领下悄悄逼近南军防线并发动突然袭击。 这次进攻取得了最初的成功，占领了近一英里的南军工事并俘获了大约 600 名囚犯。但是当波特的部队向前寻找下一条防线的努力却失败了。下午 2 点，第九军的另外一个旅在约翰·F·哈特兰福特准将（John F. Hartranft）的带领下发起进攻；傍晚，詹姆斯·H·莱德利准将的师（Brig. Gen. James H. Ledlie）也发动进攻，但是都失败了。
6 月 17 日白天，博勒加德的工程师在迪莫克防线以西一英里处布置了新的防御阵地，南军在深夜进驻该防线。 到目前为止，李将军一直无视博勒加德的所有增援请求，但于 6 月 18 日凌晨 3 点开始派出由约瑟夫·B·克肖（Joseph B. Kershaw）少将和查尔斯·W·菲尔德（Charles W. Field）指挥的两个疲惫不堪的师前往彼得斯堡。随着这两个师的到来，博勒加德有了超过 20000 名士兵来保卫彼得斯堡。但是格兰特的部队也因为沃伦第五军的到达而得到了增强，共有 67000 名士兵。
6月18日上午，米德对他的军团指挥官们大发雷霆，因为他的军队未能占据主动，突破防守薄弱的南军阵地并夺取这座城市。 他命令整个波托马克军团攻击南方的防御工事。 北军的第一次进攻于黎明时分开始，由右翼的汉考克第二军和史密斯第十八军发起。 第二军惊讶地发现，他们在进攻南军迪莫克防线时取得了如此快的进展，却没有意识到博勒加德在前一天晚上就已经撤防了。 当他们遇到南军新构筑的第二条防线时，攻击立即被阻止，军团在南军猛烈的炮火下遭受了数小时的痛苦。
到了中午，另一次进攻计划已经制定出来。 然而此时李将军已经增援了博勒加德的部队。 当北军再次开始进攻时，李将军本人已经指挥了防御。 第九军团的奥兰多·B·威尔科克斯少将（Maj. Gen. Orlando B. Willcox）领导了新一轮的进攻，但该师在沼泽和开阔地中遭受了重大损失。 沃伦的第五军被来自里夫斯突出部（Rives's Salient）的致命火力阻止。 下午 6 点 30 分，米德下令发动最后一次进攻，但同样失败而且损失更为惨重。 其中缅因州第一重炮团在袭击中损失了 900 人中的 632 人，这是整个战争期间所有团级部队单场战斗损失最惨重的。
四天的攻击几乎没有取得任何进展。北军伤亡人数高达 11386 人，南军伤亡约为4000 人。由于林肯总统在未来几个月面临连任选举，面对公众对伤亡数字的强烈抗议，米德将军命令他的军队固守阵地，开始了长达十个月的围攻。 始于莽原战役、历时一个半月的运动战阶段也就此结束。
