En 1815, una vez más como jefe del estado mayor de Blücher, Gneisenau jugó una parte muy conspicua en la campaña de Waterloo. Más antiguos generales como Yorck y Kleist fueron puestos a un lado con el propósito de que el jefe de estado mayor tomara el mando en caso de necesidad, y cuando en el campo de batalla de Ligny el viejo mariscal estuvo indispuesto, Gneisenau asumió el mando del ejército prusiano. Reunió al ejército, dirigido a Wavre de donde una parte marchó para unirse a Wellington en la Batalla de Waterloo el 18 de junio de 1815, donde el ataque por el flanco de los prusianos ayudó a decidir la batalla.