Ranskan–Saksan sodassa Bazaine toimi alkuun kolmannen armeijakunnan komentajana, mutta pian ensimmäisten taisteluiden jälkeen hänet nimitettiin ylipäälliköksi 13. elokuuta 1870. Hän otti henkilökohtaiseen komentoonsa Reinin armeijan eli Ranskan armeijan vasemman siiven. Ollessaan matkalla kohti Verdunia Bazainen joukot joutuivat pian ankariin taisteluihin Metzin ympäristössä. Bazaine itse haavoittui ensin 14. elokuuta Bornyn taistelussa, mitä seurasivat ratkaisemattomat taistelut Mars-la-Tourissa ja Gravelottessa 16.–18. elokuuta. Viimeksi mainitun taistelun jälkeen hän luopui yrityksestään murtautua länteen ja perääntyi sen sijaan armeijoineen Metzin linnoitukseen, jossa jäi pian saksalaisten saartamaksi. Ranskan armeijan kärsittyä katastrofaalisen tappion Sedanin taistelussa 1. syyskuuta Bazaine aloitti Preussin kansleri Otto von Bismarckin kanssa neuvottelut piiritettyjen joukkojensa antautumisesta. Bazaine antautui lopulta saksalaisille 27. lokakuuta 140 000:n miehen armeijoineen ilman taistelua.