Im Deutsch-Französischen Krieg mit dem Oberkommando über die zweite deutsche Armee betraut, hielt er am 16. August 1870 in der Schlacht von Mars-la-Tour die französische Rheinarmee unter Marschall François-Achille Bazaine bei Metz zurück und brachte am 18. August bei Gravelotte durch den Sieg über den feindlichen rechten Flügel bei St.-Privat die Entscheidung. Darauf erhielt er den Oberbefehl über die erste und zweite Armee, um die Einschließung von Metz zu übernehmen. Er schlug alle Ausfälle Bazaines zurück und zwang ihn zur Kapitulation vom 27. Oktober. Am 28. Oktober zum Generalfeldmarschall ernannt, zog Friedrich Karl von Metz am 2. November mit drei Armeekorps in Eilmärschen gegen die Loire, um die französische Loirearmee vom Vordringen gegen Versailles und Paris abzuhalten. Nachdem er die Angriffe der Franzosen zurückgeschlagen hatte, ging er am 3. Dezember seinerseits zur Offensive über, besetzte am 4. Dezember Orléans und trieb die feindliche Armee bis Bourges und Le Mans zurück.