Au début du mois de mai 1864, les forces fédérales commandées par le général de division William T. Sherman commencent à affronter l’armée confédérée du Tennessee. L’enjeu était Atlanta, important centre manufacturier et nœud ferroviaire. Sherman a 110 000 hommes répartis en trois armées autour de Chattanooga. Face à lui, à Dalton, à 150 km au nord d’Atlanta, le général Joseph E. Johnston dispose de 53 800 officiers et soldats prêts à faire leur devoir. Dans le mois qui suit, les Confédérés reçoivent 15 000 renforts, faisant de l’armée de Johnston la plus importante du Sud à l’époque. Malgré ses effectifs importants, le plan de Johnston s’articule autour de la prise d’une forte position défensive et de l’attente de l’attaque de l’ennemi.
Sherman bénéficiait de la supériorité numérique, mais il ne l’utilisait pas dans des attaques frontales émoussées comme le faisait Grant contre Lee en Virginie. Il a plutôt utilisé l’Armée du Cumberland du Maj. Gen. George H. Thomas et l’Armée de l’Ohio du Maj. Gen. John M. Schofield pour manifester contre les lignes rebelles, tandis qu’il a envoyé l’Armée du Tennessee du Maj. Gen. James B. McPherson pour manœuvrer autour du flanc gauche de Johnston et menacer sa ligne d’approvisionnement, la Western & Atlantic Railroad. Cela fonctionne à plusieurs reprises tout au long de la campagne, en commençant par Rocky Face Ridge, d’où Johnston bat en retraite le 12 mai.
Alors que les deux armées échangent de courtes et vives attaques à Resaca les 14 et 15 mai, McPherson traverse la rivière Oostanaula et Johnston bat à nouveau en retraite. Après l’échec de la tentative de Johnston d’attaquer l’armée de Sherman à Cassville le 19 mai, le front se déplace au-delà de la rivière Etowah dans la région de Dallas-New Hope Church-Pickett’s Mill, où des combats peu concluants ont lieu du 25 au 28 mai. Johnston se retranche sur le mont Kennesaw, repoussant les assauts de Sherman le 27 juin avant d’être à nouveau pris à revers. À l’approche de la rivière Chattahoochee, Sherman feinte à droite et fait traverser des troupes en amont. L’armée sudiste bat en retraite vers Atlanta les 9 et 10 juillet.
Alarmé par la perte de territoire de Johnston et son échec à attaquer Sherman, le président Jefferson Davis relève Johnston, et le remplace par le lieutenant-général John B. Hood. Ce changement a eu lieu le 18 juillet, date à laquelle les forces nordistes, au nombre d’environ 80 000, se trouvaient à seulement cinq miles d’Atlanta.
L’armée de 50 000 hommes de Hood, coincée dans les fortifications d’Atlanta, fait face à des difficultés, mais Hood répond au souhait de l’administration qu’Atlanta ne soit pas abandonnée sans combat. Le 20 juillet, Hood attaque sans succès l’armée de Thomas au nord de la ville à Peach Tree Creek. Deux jours plus tard, à l’est d’Atlanta, Hood envoie le corps du lieutenant-général William J. Hardee dans une attaque de flanc tout aussi audacieuse que celle de Stonewall Jackson à Chancellorsville. Le commandant de l’armée de l’Union, McPherson, est tué dans les combats, la bataille la plus sanglante de la campagne. Bien que Hood soit passé plus près de la victoire qu’à aucun autre moment, les Confédérés ont finalement été repoussés.
Sherman n’avait pas l’intention de prendre d’assaut les puissants remblais entourant Atlanta, mais prévoyait de capturer la ville en coupant ses voies ferrées et en affamant Hood. Les troupes de l’Union avaient coupé la ligne allant vers l’est jusqu’à Augusta, et la cavalerie de l’Alabama avait endommagé la ligne vers Montgomery. Seule la Macon & Western Railroad permettait de ravitailler l’armée de Hood. Les mouvements de Sherman à l’ouest de la ville pour couper cette voie ferrée entraînent des batailles à Ezra Church le 28 juillet et à Utoy Creek du 5 au 7 août. Alors que Hood étend ses lignes en août, l’artillerie de Sherman bombarde la ville et les quelques milliers d’habitants restants. Les raids de la cavalerie fédérale visant à couper le Macon & Western Railroad échouent lamentablement. À peu près à la même époque, Hood envoie le major général Joseph Wheeler et sa cavalerie dans le nord de la Géorgie et du Tennessee pour couper les lignes ferroviaires de Sherman ; ils échouent également.
Enfin, le 25 août, Sherman envoie la plupart de ses corps d’infanterie dans un large élan vers Jonesboro, à 17 miles au sud d’Atlanta, déterminé à couper la voie ferrée. Les troupes de l’Union l’atteignent le 31 août. Avec leur arrivée et leur victoire, la dernière ligne de vie vers Atlanta est effectivement coupée. Hood est contraint d’abandonner Atlanta dans la nuit du 1er septembre, et la ville se rend aux forces fédérales le lendemain matin.
Les pertes au combat pour cette campagne de quatre mois s’élèvent à environ 34 500 pour le Nord et à environ 35 000 pour le Sud. La prise d’Atlanta par Sherman est un coup dur pour la Confédération, assurant pratiquement la réélection du président Abraham Lincoln deux mois plus tard, et préparant le terrain pour la Marche vers la mer de Sherman.