Po náhlém úmrtí Felixe Schwarzenberga (5. dubna 1852) byl povolán do Vídně, aby převzal funkci rakuského ministra zahraničí, o týden později byl jmenován i předsedou rakouské vlády. Dominantní pozici ve vnitřní politice Rakouska si udržel ministr vnitra Alexander Bach, zatímco Buol-Schauenstein se nadále věnoval zahraničním záležitostem. Během krymské války zaujal smířlivý postoj a snažil se převzít úlohu zprostředkovatele mezi znepřátelenými mocnostmi. Díky tomu získal na domácí půdě dočasnou popularitu, ale nerozhodný postoj přivedl nakonec Rakousko do mezinárodní izolace a ke zhoršeným vztahům s Ruskem. Nepříznivá pozice Rakouska v postavení evropských velmocí se projevila v závěru krymské války na kongresu v Paříži (1856), kde byl rakouským zástupcem spolu s Alexandrem Hübnerem. V následujících letech se snažil o sblížení s francouzským císařem Napoleonem III., ale komplikované poměry v Itálii nakonec vedly k vyhlášení války se Sardinií. Rakousko zaslalo ultimátum do Turínu koncem dubna 1859. Začátkem května se na stranu Sardinie diplomaticky i vojensky postavila Francie, v důsledku toho Buol-Schauenstein 17. května 1859 rezigoval na obě funkce ministerského předsedy i ministra zahraničí. Válku se Sardinií podporovanou Francií Rakousko prohrálo, což vedlo k významným vnitropolitickým změnám především v důsledku pádu Bachova absolutismu v létě 1859.