Promu en 1803 au grade de général de division, le plus élevé de la hiérarchie militaire française, Nansouty fut appelé au commandement de la division de grosse cavalerie de la Grande Armée qui venait d'être formée par Napoléon. À la tête de cette formation de 1804 à 1809, Nansouty participa à quelques-unes des batailles les plus fameuses des troisième, quatrième et cinquième coalitions, se signalant à Austerlitz, Friedland, Eckmühl, Essling et Wagram. En 1812, pendant la campagne de Russie, Nansouty commanda le corps de cavalerie qu'il dirigea avec talent à Ostrowno et à la Moskova, où il fut sévèrement blessé au genou. L'année d'après, il commanda la cavalerie de la Garde impériale et prit part aux batailles de Dresde, Leipzig et Hanau où il fut encore blessé. Sa cavalerie joua un rôle significatif dans les multiples engagements de la campagne de France en 1814, en particulier à La Rothière, Montmirail, Vauchamps et Craonne, mais ses nombreuses blessures contraignirent Nansouty à quitter le service.