К 1864 году разработал план войны против Дании. Правда, назначенный главнокомандующим генерал-фельдмаршал Фридрих фон Врангель не сумел реализовать этот план, что привело к затягиванию военных действий Австро-прусско-датской войны 1864 года. На аудиенции у короля 30 апреля 1864 года Мольтке сумел добиться своего назначения начальником штаба союзных австрийских и прусских войск. Новый главнокомандующий кронпринц Фридрих Карл передал ему фактическое руководство войсками. 29 июня прусско-австрийские войска возобновили наступление, захватили укреплённый датчанами остров Альс и к середине июля оккупировали всю Ютландию. 18 июля было заключено новое перемирие, результатом которого стало подписание 30 октября в Вене мирного договора. Дания признала своё поражение, от неё были отторгнуты провинции Шлезвиг и Гольштейн, позже вошедшие в состав Пруссии.