Какими бы ни были его сомнения, Ли в течение следующих сорока восьми часов с головой погрузился в подготовку к атаке на Чапультепек, доводя себя до изнеможения. Под руководством лейтенанта Джорджа Б. Макклеллана он разместил четыре батареи тяжелой артиллерии, работая так быстро, что первые две батареи смогли открыть огонь утром 12 сентября, менее чем через двадцать четыре часа после получения Ли приказа. Огромный труд и опасность были связаны с доставкой 8-дюймовых гаубиц и 16- и 24-фунтовых орудий по мягкой, болотистой местности и установкой их на платформы, которые были вырыты киркой и лопатой, чтобы принять их, и все это на виду у противника и под постоянным вражеским огнем. Как только орудия были установлены, Ли отправился вперед, чтобы более тщательно изучить подступы к Чапультепеку. Он был настолько поглощен своей задачей, что генералу Скотту пришлось послать офицера, чтобы вернуть его в свой штаб в Такубайе. Там Ли застал Скотта в ярости. Он не получил никаких сообщений о том, как бомбардировка повлияла на мексиканцев, удерживающих Чапультепек. Скотт был полон решимости атаковать этим вечером и приказал одной дивизии идти на запад через густую кипарисовую рощу у подножия Чапультепека, а другой - атаковать с юга, прямо по крутой дороге, прорубленной в скале. Добровольцы были сформированы в два "штурмовых отряда", оснащенных лестницами, чтобы возглавить штурм. Ли, как старшему из присутствующих инженерных офицеров и тому, кто ближе всех подошел к Чапультепеку, пришлось уговаривать генерала Скотта отказаться от ночной атаки. Затем Ли было приказано проинструктировать командиров, которые должны были провести атаку - есть вероятность, что Скотт был слишком нервно напряжен, чтобы сделать это самостоятельно, - и в течение ночи войска заняли свои позиции к западу и югу от Чапультепека, а другие устроили "показную демонстрацию" перед южными воротами, чтобы обратить внимание Санта-Анны в неправильном направлении.
Ли провел ночь, осматривая батареи и следя за тем, чтобы повреждения, нанесенные ответным огнем мексиканцев, были быстро устранены. К этому времени он уже сорок восемь часов не спал, но ему было приказано направлять дивизию генерала Пиллоу в ее атаке на западный склон Чапультепека. Он отправился с передовыми отрядами, как только прекратилась бомбардировка, в восемь часов утра 13 сентября, подвергаясь артиллерийскому обстрелу, мушкетному огню и - новинка для того времени - зарытым минам, большинство из которых, к счастью, не сработали. Он наблюдал за тем, как поднимались лестницы, и штурмующие были отброшены назад с большими потерями. Он перегруппировал войска, и вторая попытка оказалась успешной. Ли сам взобрался по крутому склону на террасы на вершине в сопровождении лейтенанта Джеймса Лонгстрита, который будет командовать его корпусом справа в роковой третий день Геттисбергской битвы, и лейтенанта Джорджа Э. Пикетта, чья дивизия предпримет атаку на Кладбищенский хребет - последний акт в этой великой героической трагедии. В какой-то момент штурма Ли был "легко ранен", но ему удалось помочь раненому генералу Пиллоу спастись, а затем подняться на вершину, чтобы увидеть поднятие американского флага. Сама "крепость" оказалась не такой грозной, как опасались. Она была построена как дворец и не давала особой защиты укрывшимся в ней мексиканским солдатам. Огромное здание захватывали комната за комнатой, многие американские солдаты "бесчинствовали, грабили и охотились на беззащитных мексиканцев в отместку за зверства в Молино-дель-Рей", но, зная все, что мы знаем о Ли, мы можем быть уверены, что он был среди тех, кто решительно восстанавливал порядок и дисциплину в войсках. Поскольку он никогда не упоминал об этом, то, вероятно, не был свидетелем действий от пятидесяти до ста (мнения расходятся) курсантов мексиканской военной академии, которые стали знаменитыми мексиканскими Героями. * Шесть из них сражались насмерть, а последний мальчик, Хуан Эскутиа, завернулся в мексиканский флаг, развевавшийся над Чапультепеком, и бросился с парапета навстречу своей смерти, вместо того чтобы позволить ему попасть в руки ненавистных янки. Пока Ли наблюдал за тем, как над Чапультепеком вместо мексиканского флага поднимаются звезды и полосы, пятьдесят пленных солдат батальона дезертиров Святого Патрика, приговоренных к смерти, были повешены, простояв два часа на солнцепеке с петлей на шее, пока шло сражение. Тридцать из них были повешены на виду у всего сражения, каждый из них стоял на заднем сиденье телеги, запряженной мулами, со связанными за спиной руками, а петля уже была прикреплена к огромной длинной перемычке огромной виселицы, построенной для этой цели на вершине невысокого холма, обращенного к крепости. В тот момент, когда американский флаг был поднят над облаком черного дыма вокруг Чапультепека, погонщики подстегнули мулов, и дезертиры упали навзничь под радостные крики своих бывших товарищей по оружию.
Несмотря на множество обычных патриотических картин, изображающих штурм Чапультепека, во всем этом эпизоде присутствует некий гойеский ужас - и в мальчиках-солдатах, и в повешении дезертиров, не говоря уже о штыковой атаке мексиканских солдат, пытавшихся сдаться в плен.
Это, несомненно, подействовало на защитников Мехико, как мгновенно понял Ли, который к тому времени был измотан и даже не сделал паузы, чтобы перевязать свою рану. После победы американцев под Чапультепеком организованное мексиканское сопротивление рухнуло. Он вернулся к Скотту, доложил об ошеломляющем успехе атаки, провел еще одну рекогносцировку местности в направлении ворот Сан-Косме в северо-западном углу города и снова вернулся к Скотту, где в первый и единственный раз в жизни потерял сознание. Он был на ногах или в седле три дня и ночи без отдыха.
Когда он пришел в себя перед рассветом, то узнал, что американские войска уже вошли в город и захватили цитадель, а Санта-Анна бежал. Сам Ли вошел в Мехико с первыми лучами солнца и наблюдал на большой площади, как около восьми утра генерал Скотт в полной парадной форме прискакал сюда, чтобы увидеть, как над Национальным дворцом поднимают американский флаг. После этого Скотт осмотрел войска, когда они подавали оружие, затем сошел с коня, снял свою шляпу с плюмажем и вошел во дворец.
В течение двух дней американские оккупанты были вынуждены вести уличные бои с вооруженными преступниками, которых Санта-Анна выпустил из тюрьмы. Эти выстрелы станут последними, которые Ли услышит в бою до 1861 года. Когда герцог Веллингтон услышал новость о взятии Мехико, он провозгласил Скотта "величайшим из ныне живущих генералов".
Прошел почти год, прежде чем мир был ратифицирован американским и мексиканским конгрессами, и празднование того факта, что Соединенные Штаты увеличились почти вдвое, было приглушено бесконечными склоками между Скоттом и его генералами, а также между Скоттом и президентом Полком. В конце концов Полк отстранил Скотта от командования. Ли никогда не терял доверия к Скотту и жаловался, что генерала "отшвырнули... и выставили умирать, как старую лошадь" - сильные слова Ли. Что касается собственного опыта Ли в Мексике, то он заметил, что "мы издевались над [Мексикой]... ...за это мне стыдно, ведь она была более слабой стороной", - точку зрения Ли разделяют многие американцы. Действительно, редко когда столь великое завоевание приводило к столь плачевным последствиям для победителя.
За участие в штурме Чапультепека Ли был произведен в полковники - высшее звание, которого он достигнет до 1861 года. Что еще важнее, он получил уникальную возможность научиться полководческому искусству под командованием эксперта, который ценил и доверял ему на уровне, намного превышающем его звание. Ли показал себя мастером разведки, он узнал, что такое дерзость в войне и важность смелой фланговой атаки, а также возможности быстрого продвижения за пределы обычных линий коммуникаций и "жизни за счет страны". Снова и снова в своей "второй карьере" на войне он опирался на уроки, полученные от Скотта, и на собственный опыт в Мексике.
Он также узнал много нового о своих сослуживцах, что пригодилось ему во время Гражданской войны. Не менее семидесяти восьми из них стали генералами армии Союза, включая Улисса С. Гранта, Уинфилда Скотта Хэнкока, Джозефа Хукера, Джорджа Мида и Джорджа Макклеллана. Пятьдесят семь из них стали генералами Конфедерации, включая Льюиса Армистеда, П. Г. Т. Борегара, Томаса Дж. ("Стоунволла") Джексона, Джозефа Э. Джонстона, Джеймса Лонгстрита и Джорджа Пикетта. Вряд ли кто-то из высших офицеров обеих сторон Гражданской войны был незнаком с Ли.
Наконец 29 июня 1848 года он вернулся домой, пробыв в отъезде двадцать два месяца. С ним были его кобыла Грейс Дарлинг и маленький белый пони, которого он купил для своего младшего мальчика. В армии он заслужил репутацию, по словам генерала Скотта, "самого лучшего солдата, которого я когда-либо видел в поле".
Пройдет тринадцать лет, прежде чем Ли сможет вновь испытать свою репутацию на поле боя.