Az 1859. évi szárd háború kitörésekor a császár Gyulait nevezte ki a Lombard–Velencei Királyság katonai kormányzójává is, a túl liberálisnak tartott Ferdinánd Miksa főherceg helyére. A hadműveleteket az osztrák csapatok előnyomulása vezette be, azonban Gyulai erélytelen hadvezetésének köszönhetően a kezdeményezés az egyesült francia és szárd–piemonti csapatok kezébe került át. A sorozatos késlekedések következtében az osztrák csapatok egyre kedvezőtlenebb helyzetbe kerültek, majd – annak ellenére, hogy az osztrák kormány május végén újabb négy hadtestet küldött a hadszíntérre – június 4-én a magentai csatában döntő vereséget szenvedtek a III. Napóleon császár és Mac-Mahon tábornagy által irányított francia és szárd haderőtől. Gyulai Ferencet június 16-án felmentették főparancsnoki beosztásából és nyugdíjazták. Helyét maga I. Ferenc József vette át, aki azonban június 24-én a solferinói csatában újabb vereséget szenvedett. A csatavesztések következtében az Osztrák Császárság kénytelen volt lemondani Milánóról és egész Lombardiáról III. Napóleon javára, aki ezeket a tartományokat később átadta az 1861-ben megalakult egységes Olasz Királyságnak, cserébe Savoya tartomány és Nizza átengedéséért.