Pada titik ini dalam pengepungan, pasukan Lee telah memperkuat garis Petersburg. Mereka menggali benteng pertahanan dari lubang senapan. Pada malam hari, dengan pick dan sekop, mereka kemudian mengubah benteng pertahanan menjadi parit sedalam 6 kaki (1,8 m). Patok-patok runcing yang diputar ke arah luar dirancang untuk mematahkan serangan frontal apa pun. Area di antara dua garis menjadi tanah tak bertuan. Musim panas tahun itu panas dan kering. Sungai dan mata air dengan cepat mengering menyebabkan kekurangan air di kedua sisi. Pengepungan itu dengan cepat menjadi jalan buntu.
Di bagian garis Union yang hanya berjarak 500 kaki (150 m) dari garis Konfederasi, resimen Pennsylvania ke-48 digali. Mereka berada di bawah puncak punggungan dan sebagian dari garis mereka tidak dapat dilihat oleh Konfederasi, terhalang oleh medan. Resimen Pennsylvania ke-48 terdiri dari penambang batu bara antrasit. Komandan mereka mendengar anak buahnya berkomentar, "Kita bisa meledakkan benteng terkutuk itu jika kita bisa menjalankan poros tambang di bawahnya!" Dia menyampaikan ide itu kepada Burnside yang menyetujui ide tersebut dan penggalian dimulai pada 25 Juni. Konfederasi yang berada di punggung bukit mulai mendengar suara-suara picks dan sekop di bawah mereka. Mereka menggali beberapa lubang pendengaran. Tetapi ketika suara penggalian berhenti pada 23 Juli, mereka berhenti mencari dan mengabaikan bahaya dari penambangan. Pada sore hari tanggal 28 Juli, bahan peledak sudah siap. Divisi Keempat Burnside, termasuk sembilan resimen pasukan Afrika-Amerika dilatih untuk melewati kawah yang akan ditimbulkan ledakan dan menyerang segera setelah ledakan. Ini adalah pasukan baru dan moral mereka tinggi. Pada menit-menit terakhir, rencana Burnside diubah oleh komandannya Jenderal Meade untuk mengirim pasukan kulit putih. Meade mengatakan dia tidak ingin bertanggung jawab atas "pembantaian" pasukan kulit berwarna.
Tepat sebelum pukul 5:00 pagi, ledakan itu meledakkan baterai artileri Konfederasi dan sebagian besar resimen infanteri. Ledakan itu menewaskan sedikitnya 278 Konfederasi seketika. Kawah yang disebabkan oleh ledakan itu memiliki panjang lebih dari 170 kaki (52 m), 60 kaki (18 m) di seberang dan kedalaman 30 kaki (9,1 m). Setelah ledakan, pasukan Union yang tidak terlatih lambat meninggalkan parit mereka. Alih-alih menghindari kawah, mereka malah berlari ke dalamnya. Dinding-dinding kawah mengekspos tanah liat merah yang membuatnya terlalu licin untuk dipanjat keluar. Konfederasi pulih dengan cepat dan mulai menembak langsung ke pasukan Union yang tidak terlindungi. Untuk mencoba menyelamatkan situasi, setelah empat jam bertempur Burnside memerintahkan pasukan hitam untuk menyerang. Pada titik ini mereka hanya bisa mengikuti tentara kulit putih ke dalam kawah. Mereka harus memaksa melewati pasukan kulit putih yang mati, terluka, dan demoralisasi untuk masuk ke dalam pertempuran. Ketika lebih banyak pasukan Konfederasi bergabung, mereka melakukan baku tembak yang luar biasa ke dalam kawah. Peluru mortir dijatuhkan pada pasukan Union dan meriam Konfederasi digulung ke tepi dan menembakkan tembakan tabung ke arah tentara yang terjebak di kawah. Situasi dengan cepat berubah dari pertempuran sepihak menjadi kerusuhan ras. Ketika tentara Union menyerah, tentara kulit hitam tidak diberi kesempatan. Mereka yang diizinkan untuk menyerah dibunuh oleh pasukan Konfederasi saat mereka digiring ke belakang. Beberapa Konfederasi kemudian menyatakan penyesalannya karena mereka tidak bisa membunuh mereka dengan cukup cepat, karena beberapa pasukan kulit hitam berhasil sampai ke belakang hidup-hidup.
Pertempuran berlangsung selama delapan setengah jam. Korps IX Burnside menderita 3.800 korban jiwa. Pasukan Lee kehilangan sekitar 1.500 orang yang terbunuh, terluka atau hilang. Namun pasukan kulit hitam kehilangan 1.327 orang, 450 di antaranya menyerah. Sebagian besar dari mereka dibunuh oleh tentara Konfederasi saat mereka digiring ke belakang di bawah penjagaan. Kegagalan dan kengerian atas apa yang terjadi pada Pertempuran Kawah menyebabkan Burnside dibebastugaskan dari komandonya. Dia ditempatkan pada cuti tanpa batas waktu tanpa perintah untuk kembali bertugas. Hal ini secara efektif mengakhiri karier militernya. Dia mengundurkan diri dari tentara kurang dari sembilan bulan kemudian, pada 15 April 1865.