Im Deutsch-Französischen Krieg von 1870/71 traf der Großherzog, nach Ausbleiben französischer Landungsoperationen gegen die norddeutsche Küste, erst am 1. September 1870 am Kriegsschauplatz bei Metz ein. Er übernahm als Kommandierender General die Führung des XIII. Armee-Korps. Mitte September hatte er von General Moltke die Aufgabe erhalten, der auf Paris vorgehenden Hauptarmee des Kronprinzen Friedrich Wilhelm den Rücken abzusichern. Dafür übernahm er zusätzlich den Befehl über eine neue Armeeabteilung, bestehend aus dem bayerischen I. Armee-Korps, zwei preußischen Kavalleriedivisionen und dem eigenen XIII. Armee-Korps. Er konnte den Raum zwischen Chalons und Reims sichern und auch die rückwärtige Festung Toul besetzen. Nachdem auch Soissons bezwungen war, beteiligte er sich mit seinen Truppen Ende Oktober an der Belagerung von Paris. Am 2. Dezember 1870 siegte seine Armee-Abteilung bei Loigny-Poupry über die Franzosen unter General d’Aurelle de Paladines und besetzte am 5. Dezember Orléans. In der Schlacht von Le Mans vom 10. bis zum 12. Januar 1871 wurde unter dem Oberbefehl des Prinzen Friedrich Karl von Preußen die letzte französische Loire-Armee unter General Chanzy vollständig zerschlagen. Bei der Kaiserproklamation in Versailles am 18. Januar 1871 wurde er von seinem Sohn Friedrich Franz vertreten. Seine Truppen marschierten noch über Alençon in die Normandie ein und besetzten am 25. Januar Rouen. Kaiser Wilhelm I. übertrug ihm nach dem Frieden am 16. Juni 1871 die II. Armee-Inspektion und ernannte den Großherzog am 2. September 1873 zum Generalobersten der Infanterie im Range eines preußischen Generalfeldmarschalls. Zeitgleich wurde er zum russischen Generalfeldmarschall ernannt.