בינתיים, צבא קומברלנד של רוזקרנס נסוג לצ'אטנוגה אחרי צ'יקמוגה. ברג רדף אחריו ומיד הטיל את העיר תחת מצור. ב-17 באוקטובר, רוזקראנס, שהיה מאוכזב, שוחרר מפקודתו והוחלף על ידי מייג'ור גנרל ג'ורג' תומאס. בעוד צ'אטנוגה לא הייתה מוקפת לחלוטין, קו האספקה של תומאס היה דק מאוד. גרנט עצמו הגיע לעיר ב-23 באוקטובר, והרחיב את קו האספקה החלש. לאחר שהגיע מייג'ור גנרל ויליאם T. שרמן עם תגבורת, כוחות האיחוד עברו למתקפה. ניצחון של האיחוד בקרב בהר לוקאוט
שבר חלק מהקו של בראג ב-23 בנובמבר. יומיים לאחר מכן, תומאס תקף את קו הקונפדרציה במשיונרי רידג'. בקרב על רכס המיסיונרי שהתרחש לאחר מכן, המגינים הקונפדרטיים הוטלו לחלוטין והמצור נשבר. הסוללה של בלדסו חלה בפעולה כבדה בגבעת מיסיונרי, בה נפגעו לפחות שניים; כל ארבעת התותחים של הסוללה נלקחו.