Nhận định lại tình hình, Moltke quyết định để Tập đoàn quân số 3 truy đuổi các quân đoàn I, V và VII của MacMahon trong khi các Tập đoàn quân số 1 và 2 "xử lý" Bazaine. Moltke đơn thuần phớt lờ Metz và điều quân vượt tuyến đường rút của địch. Ông huy động Tập đoàn quân số 1 và Tập đoàn quân số 2 khép kín quân Pháp từ hướng nam. Ngày 16 tháng 8, các quân đoàn III (tướng Alvensleben) và X (tướng Voigts-Rhetz) của Tập đoàn quân số 2, do tin là mình đang gặp phải hậu quân Pháp, đã tiến công toàn bộ Tập đoàn quân Rhine ở Vionville - Mars-la-Tour. Các đợt tấn công của bộ binh Phổ sớm bị chặn đứng, song lực lượng pháo binh thiện chiến của Phổ, vốn được cải tiến rất nhiều kể từ sau năm 1866, đã cứu vãn họ khỏi một thất bại nặng nề. Trận đánh kết thúc trong màn đêm với thiệt hại rất lớn cho cả hai bên tham chiến. Mặc dù không phe nào giành thắng lợi rõ rệt, quân của Moltke đã khóa được đường rút của Tập đoàn quân Rhine về Verdun, buộc Bazaine phải rút quân trở lại hướng Metz.