Bonnemains est promu général de brigade le . Il commande une brigade de la division de cavalerie à Lunéville (1862-1864), puis une subdivision du Cher (1865-1866) et enfin une brigade de la division de cavalerie de la Garde impériale (1867-1869) avant d'être promu général de division le . Il prend alors le commandement de la division de cavalerie à Lunéville avec laquelle il participe à la guerre franco-prussienne. Il rejoint le Brumath, dans le secteur commandé par Mac-Mahon. Le général de Bonnemains se distingue particulièrement à la Bataille de Frœschwiller-Wœrth (1870) car sa division est au centre du dispositif, entre Reichshoffen et Frœschwiller le . Sa division rentre à Lunéville le et repart le vers Metz, alors que les Prussiens entrent dans Lunéville, mise à sac.