Nach Ausbruch des Dritten Unabhängigkeitskrieges gegen die Österreicher führte er ein Artilleriekorps bei der in der Lombardei einrückenden Hauptarmee unter General La Marmora. In der Schlacht bei Custozza (24. Juni 1866) bewährte er sich besonders, seine auffahrende Artillerie deckte den erfolgreichen Rückzug des Armeekorps des General Durando. Seine rund um Valeggio gut postierten 23 Kanonen hielten 46 Geschütze der Österreicher nieder und ermöglichten der geschlagenen Division des General Sirtori den geordneten Rückzug auf das rechte Ufer des Mincio. Im Jahr 1868 wurde Bonelli zum Generalmajor befördert und übernahm das Kommando der territorialen Artilleriegarnison in Mailand. Später kommandierte er Garnisonen in Neapel und Turin und zeigt gute organisatorische Fähigkeiten. 1877 wurde er zum Generalleutnant befördert und erhielt das Kommando über die Militärdivision von Verona.