Wilhelm I, Hoàng đế Đức
Quốc vương Phổ > Chiến tranh Pháp-Đức

Bài chi tiết: Chiến tranh Pháp-Phổ
Sau thất bại của Áo năm 1866, sự trỗi dậy của nước Phổ dưới triều Wilhelm I đã trở thành mối bận tâm cho nước Pháp thời hoàng đế Napoléon III. Về phía Phổ-Đức, Bismarck hiểu rõ một cuộc chiến với Pháp là không thể tránh khỏi để hoàn tất quá trình thống nhất nước Đức bằng vũ lực. Thủ tướng cũng tin chắc rằng các cường quốc châu Âu sẽ giữ trung lập và các bang Nam Đức sẽ ủng hộ Phổ khi có chiến tranh. Thật vậy, khi Chiến tranh Pháp-Phổ bùng nổ vào cuối tháng 7 năm 1870, các nước ở miền Nam Đức đã quy tụ dưới ngọn cờ của quốc vương Phổ. Vào ngày 31 tháng 7 năm 1870, Wilhelm rời Berlin để thân chinh soái lĩnh các đạo quân của người Đức chống nhau với Pháp. Cũng như trong cuộc chiến chống Áo, Moltke là người đề xướng kế hoạch chiến tranh, theo đó quân đồng minh Phổ-Đức được chia làm ba tập đoàn quân tràn vào nước Pháp. Các lực lượng được tổ chức và huấn luyện bài bản của Phổ liên tiếp thắng trận trong suốt sáu tuần giao chiến.
Bảy ngày sau khi Wilhelm vượt biên giới Pháp (11 tháng 8), ông cùng Moltke trực tiếp chỉ huy trận Gravelotte-St. Privat, trận đánh lớn nhất của cuộc chiến, vào ngày 18 tháng 8. Tại đây, các đợt tấn công của Tập đoàn quân số 1 dưới quyền tướng Steinmetz và Tập đoàn quân số 2 dưới quyền Thân vương Friedrich Karl đã bị Tập đoàn quân Rhine chủ lực của Pháp dưới quyền Thống chế Bazaine đẩy lui với thiệt hại hết sức nặng nề. Dù vậy, sự nhạy bén của lực lượng pháo binh Phổ và thái độ thụ động của Bazaine đã góp phần vãn hồi tình hình cho các đơn vị bộ binh Phổ. Được tăng viện, quân đội Phổ-Đức cuối cùng đã đuổi được quân Pháp về Metz. Ngoại trừ Moltke, mọi thành viên Bộ Tổng Chỉ huy Phổ đều hãi hùng trước cuộc tàn sát ở Gravelotte-St. Privat. Bản thân Wilhelm I hốt hoảng khi ông được tin 8.000 sĩ quan và binh lính của Quân đoàn Vệ binh tinh nhuệ bị loại khỏi vòng chiến. Nhưng trận đánh là một thắng lợi chiến lược lớn của quân đội Đức: Tập đoàn quân Rhine bị bao vây cô lập tại Metz cho đến khi đầu hàng vào ngày 27 tháng 10.
Cùng với Napoléon III, Thống chế MacMahon mang Tập đoàn quân Châlons đi cứu Bazaine, nhưng vào cuối tháng 8, Moltke đã nắm bắt được cuộc hành quân của MacMahon. Ông liền ra lệnh cho Tập đoàn quân số 3 của Thái tử Phổ và Tập đoàn quân Maas mới được thành lập dưới quyền Thái tử Albert của Sachsen quay ngoặt theo hướng tây-bắc để truy bắt Tập đoàn quân Châlons. Quân Đức đánh bại một bộ phận của tập đoàn quân này trong trận Beaumont, buộc MacMahon phải rút về Sedan.
Ngày 1 tháng 9 năm 1870, dưới sự thống lĩnh của Wilhelm I và Moltke, các Tập đoàn quân số 3 và Maas đã bao vây tiêu diệt Tập đoàn quân Châlons ở Sedan. Tại đây, các cuộc pháo kích ồ ạt của Đức đã gây cho quân Pháp thiệt hại hết sức nặng nề. Quân Phổ từng bước siết chặt vòng vây và vào buổi chiều, họ đập tan hàng loạt đợt phản công của kỵ binh địch. Tinh thần tấn công dũng cảm của kỵ binh Pháp đã khiến cho Wilhelm bật thốt: "Ôi! Những con người can trường".. Ngày hôm sau (2 tháng 9), Napoléon III và gần 10 vạn dưới quyền đầu hàng và bị bắt làm tù binh. Trận Sedan được nhìn nhận là "thắng lợi lớn nhất của người Đức trước Pháp kể từ sau trận Pavia" (Eulenberg). Hoàng đế Pháp bị giải đến giam trong lâu đài Wilhelmsthal ở Kassel và về sau sang sống lưu vong ở Anh. Cũng giống như Karl V trong chiến dịch Pavia, Wilhelm đã bày tỏ sự hào hiệp và tế nhị của mình đối với các kẻ thù bại trận. Vào ngày 5 tháng 9, Pháp được tuyên bố là một nước Pháp. Bismarck khuyên vua ngừng tấn công và dàn trận tuyến phòng thủ ở các vị trí hiện tại của mình ở miền Đông Pháp, nhưng nhà vua và Moltke từ chối. Ông điều quân đến vây hãm Paris và thiết lập tổng hành dinh tại điện Versailles.
Mâu thuẫn lại nảy sinh giữa Bismarck và các tướng lĩnh. Mục tiêu của Bismarck trong cuộc chiến là chính trị chứ không phải là quân sự: sự thống nhất nước Đức và thay đổi các liên minh quân sự, trong đó các bang Nam Đức nằm dưới tầm ảnh hưởng của Phổ, thành một thể chế chính trị thống nhất. Nhưng với tầm nhìn quân sự của mình, Moltke đề xuất sáp nhập thành phố Strasbourg, pháo đài Metz, các tỉnh Alsace và Lorraine để làm vùng đệm cho nước Đức trước mọi cuộc tấn công từ phía tây trong tương lai. Bismarck đồng ý lấy Strasbourg và Alsace, vốn đã thuộc về Đức hai thế kỷ trước khi bị Louis XIV cướp đoạt, nhưng không muốn lấy Metz và Lorraine vì dân số ở đây đa phần là người Pháp. Nhà vua ủng hộ ý kiến của Moltke và ông quyết định sáp nhập cả Alsace lẫn Lorraine vào nước Đức thắng trận.
Tại Versailles, về mặt danh nghĩa, nhà vua chỉ đạo các chiến dịch quân sự và các cuộc đàm phán chính trị dẫn tới sự kiến lập Đế quốc Đức. Trên thực tế, Bismarck là người tổ chức các cuộc đàm phán này, nhằm thuyết phục các quốc gia Nam Đức gia nhập đế quốc Đức mới. Bất chấp nhiều sự phản đối, đặc biệt là từ Thái tử Friedrich, Bismarck chấp thuận xây dựng một nhà nước liên bang trong đó các quốc gia bên ngoài Phổ giữ được nhiều quyền lợi đáng kể. Và, Đế quốc Đức đã được thành lập dưới sự trị vì của Hoàng đế Wilhelm I vào ngày 18 tháng 1 năm 1871, khi mà nước Pháp đã cầm chắc thất bại.