En Italie, la France est désormais la seule garante de l'intégrité territoriale des États pontificaux. Le royaume d'Italie, qui s'étend à présent sur toute l'étendue de la péninsule à l'exception du Latium, n'accepte toujours pas que Rome ne soit pas sa capitale. Pour éviter une guerre en Italie, la France avait négocié et signé la convention dite du "" avec le gouvernement de Florence. Selon ses termes, le royaume d'Italie s'engageait à ne pas envahir les États du pape ni à le déstabiliser en favorisant les actions des milices garibaldiennes. L’objectif était de pérenniser la situation en liquidant les différends entre le pape et l'Italie. En échange, la France évacuait son corps expéditionnaire, présent à Civita-Vechia depuis 1849. Mais à l'arrivée de Moustier, les choses sont restées au point mort, du fait du blocage des négociations entre les chancelleries italienne et pontificale à propos de questions financières. Moustier décide d'accélérer les choses pour régler définitivement cette situation sommaire en passant outre la diplomatie pontificale et les atermoiements de Florence. Il obtient ainsi le règlement des questions financières et, en , les troupes françaises rembarquent. Pourtant, dès l'année suivante, le gouvernement italien de Rattazzi ne respecte plus l'accord et n'empêche pas l'invasion des États pontificaux par une armée de garibaldiens qui s'est massée à la frontière du Latium, avec l'accord tacite de l'armée italienne. La France ayant déjà été humiliée par la Prusse à l'occasion de l'affaire du Luxembourg, et refusant qu'une situation analogue ne se reproduise, Moustier obtient de l'envoi d'un nouveau corps expéditionnaire à Rome. Celui-ci arrive juste à temps pour infliger aux milices garibaldiennes, le , une cuisante défaite devant Mentana.