这一阶段从1862年9月至1865年4月，战争从有限阶段转入总体阶段。
联邦军在第一阶段战争中的失利，给林肯政府带来了巨大的压力。国内动荡不安，从北端的缅因州到西边的加利福尼亚，许多城市纷纷举行示威游行，要求林肯政府进行政治和军事改革，立即解放黑奴，把土地无偿分给农民，发动广大群众，用革命的方式来进行战争。反革命分子也蠢蠢欲动，利用战争失利进行煽动和颠覆活动。面对这种局势，林肯曾直言不讳地写道："每当我考虑到镇压暴乱的政策，心里就忐忑不安。我一直谨慎从事，尽量不使这个不可避免的冲突演变成一场残酷无情的革命暴力斗争。"但在事实面前，总统感到调和政策不可能从根本上解决南北冲突，他不得不使用"一切必要的手段"来维护联邦。他说：我"只要手中还有牌，就不会放弃比赛。"
在战争的危急关头，林肯以一位成熟的资产阶级政治家的风度，审时度势，顺应历史潮流，作出了使联邦转危为安的重大决策。在1862年9月22日第一次公布《解放宣言》初稿的基础上，林肯又选择了1863年1月1日朱比节这一"黄道吉日"，向全国乃至全世界发表了正式的《解放宣言》。宣言庄严宣告：凡叛乱州的奴隶，"从现在起永远获得自由"；允许"条件合适"的黑人参加北方军队。宣言直指罪恶的奴隶制度，使广大黑人奴隶看到了自由的曙光，极大地激发了全国人民参与革命战争的斗志，这就从根本上击中了南方统治者的要害。
在宣言颁布前后，林肯还采取了一系列与宣言的精神和原则相一致的革命性措施，以扩大武装力量，争取人民支持。1862年5月，林肯颁布了《宅地法》，允许耕种西部无主土地五年以上的农民，只付10美元证件费便可获土地160英亩，赢得了为土地奋斗的农民的欢迎。1862—1863年，林肯决定实行武装黑人的政策，激发了黑人为自由和解放献身的强烈愿望。18万余黑人踊跃拿起武器，走向前线，另有25万黑人参加后方部队，为战争服务。1863年3月，林肯颁布《征兵法》，用义务兵役制取代了志愿兵制，使军队兵员有了法律保障。
1864年，林肯又通过改组军事领导机构，撤换了麦克莱伦、伯恩赛德、比尔等不称职高级将领，任命了以格兰特为司令的一批新将领，从而加强了军队的指挥系统。同时，还通过镇压反革命、打击投机倒把等严厉措施，消除了联邦内部的不安定因素。在战争的非常时期，这些措施对转变战争进程发挥了不可抵估的作用，从此，内战进入了一个崭新的时期。
当然，联邦军的优势是逐步到来的。在1862年底到1863年上半年，南军仍有较强的实力，连续向联邦军发起攻击。1862年12月13日，南军李军团在弗雷德里克斯堡阻击向里士满进攻的伯恩赛德联邦军，经过一天激战，联邦军惨败，伤亡1.2万余人，而南军伤亡不足5000人。12月30日，联邦军罗斯克兰斯指挥的4.4万人的坎伯兰军团与布雷格指挥的3.6万人的田纳西军团进行了斯通斯河战役，结果双方各有1／3的人员伤亡。1863年3月初，胡克指挥的联邦军波托马克军团兵力增至13万余人，南军李军团只有6万人。但胡克指挥不力，4—5月钱瑟勒斯维尔一战，损失惨重。6月，李军团8.9万人攻入宾夕法尼亚州，北方再次告急。林肯令波托马克军团迎战。该军团已由米德指挥，共12.2万人。7月初，双方进行了著名的"葛底斯堡战争"。经过了3天激战，联邦军歼敌2.8万，自己损失2.3万。这是联邦军开战以来取得的最令人欢欣鼓舞的一大胜利。这一战以后，南军便一蹶不振，完全失去了进攻力。
与此同时，在西战场上，格兰特指挥联邦军攻克了密西西比河下游重镇维克斯堡，俘敌约2万人。稍后，防守密西西比河下游另一重镇哈得孙港的南军也缴械投降。至此，联邦军打通了整个密西西比河，将南部同盟的西南部与东部切断。11月，在西战场中部，联邦军坎伯兰军团占领南部重要铁路交通枢纽查塔努加，并击溃外围之敌，从而取得了向南方进军的战略基地。
1864年春，新任联邦军总司令格兰特和西战区总指挥谢尔曼，共同制定了新的战略进攻计划。该计划规定，东西两战区同时对南部同盟实施协调一致的打击：东战区以波托马克军团为主力，由格兰特亲自指挥，以歼灭李军团为主要目标，相机夺取里士满；谢尔曼则率密西西比河战区主力，由西向东横扫，深入敌后，占领乔治亚州，前出大西洋，对南部同盟的东部地区实施中间突破。4月底，格兰特率领12万人南进，攻击只有6万人的李军团。
5月初渡过拉皮丹河，进逼怀尔德尼斯，接着向科尔德港发起攻击。5月8日至13日，双方在斯波特西法尼亚-科特豪斯进行了近代世界上第一次堑壕战。联邦军损失了3.1万人。6月1日至3日"冷港会战"，联邦军向敌发起猛烈攻击，双方伤亡很大，北军折损约5万人，李军损失约3万人。北军兵源充足，几周后便补足了兵员。而南军因人力财力濒于枯竭，补充十分困难。6月中旬，格兰特围攻里士满以南的彼得斯堡，双方相持数月。在此期间，李为了牵制北军，分散格兰特兵力，命厄尔利率1万余人奔袭华盛顿。格兰特遂派谢里登率5万余人对厄尔利实施围追堵截。双方经过长达半年多的"谢南多厄河谷之战"的搏斗，厄尔利全军覆没。
在东战区格兰特节节胜利，捷报频传的同时，西战区谢尔曼也顺利地展开了军事行动。谢尔曼在查塔努加集结了10万兵力，与约翰斯顿指挥的6万余南军对峙。5月7日，谢尔曼以歼灭约翰斯顿并夺取南部重要工业交通中心城市亚特兰大为目标，向敌军发起了猛烈攻击。这是一场无后方战斗。
谢尔曼采取迂回战法，绕过敌人设防的阵地，除个别情况外不进行正面强攻，当面敌军被迫向亚特兰大败退。9月2日谢尔曼占领亚特兰大，下令将该城的一半焚毁，随后，谢尔曼又制定了"向海洋进军"的计划，目标是攻占乔治州沿海要地萨凡纳。他挑选了6万余精兵强将，其中包括大批黑人，携带20天粮秣，于10月15日出发。为迷惑敌人，谢尔曼兵分两路，使敌人弄不清他的主攻方向，防不胜防。11月23日，两路大军在米利奇维尔会合后继续东进。12月21日，在海军配合下夺取萨凡纳。此次远征历时一个多月，长驱300多英里，沿途捣毁了敌人众多战争设施和目标。这是内战史上的一次军事壮举，它为夺取全面胜利创造了极为有利的条件。
1865年，战争到了最后决战关头。此时南部同盟濒临灭亡的边缘，部队士气低落，逃兵不可胜数，后勤补给难以为继。尽管如此，南军仍苟延残喘，破釜沉丹。已升任南军总司令的李和约翰斯顿，企图以灵活防御战略与联邦军对抗。格兰特决定与谢尔曼分进合击，围歼南军。2月1日，谢尔曼挥师北进，直捣南北卡罗来纳，威胁李军后方。3月底，格兰特也直接指挥11.5万联邦军向李军进攻，4月3日占领里士满。4月9日，李率残部2.8万人在阿波马托克斯投降。26日，约翰斯顿向谢尔曼投降。历时4年的内战以联邦军的胜利而告结束。
美国内战虽然是发生在美国本土的一次国内战争，但其规模之大，动员兵力之多，耗资之巨，现代化程度之高，都引起了世界军事史学界的关注。在整个战争期间，南北两军共动员了近400万兵力，战线长达数千公里，战争死亡人数共62万，其中北方36万，南方26万，伤者在百万以上，双方共消耗军费250亿元左右。
在战争中，陆军大量采用装甲列车，利用铁路干线提高了部队的机动能力和后勤物资保障能力；步兵普遍装备和使用前装式来复**、射速为每分钟175发子弹的霰弹**等新式线膛武器，增加了射程，提高了杀伤力；海军以蒸气动力装甲战舰为主编成的舰队，其机动性、防护力和火力都大为改观，从而引起了海战的变革；无线电报系统的广泛使用，大大改善了通讯联络手段，方便了战场军事指挥。这一切，都显示了美国近代工业革命的发展正在改变着军队的面貌和战争的样式。
通过内战，美国的资本主义得到了迅猛的发展，军事力量也日益强大。随着西部土地的开发完毕以及印第安战争的终结，美国军事战略逐渐从传统的地区性向世界性转变，一个新崛起的军事帝国正在从美洲走向世界，开始了它同世界列强争雄的新阶段。
