普奥战争以后，毛奇立即着手制订对法国作战的宏大计划和进行战争准备。北德意志各邦虽然统一了，但是南德还有四个邦国处于法国的卵翼之下。要完全统一德国，势必要与法国一战。而且作为一个军人，他个人的成就因为法国的干涉而打了折扣，心里一直忿忿然。
所以于公于私，这一箭之仇都非报不可。
毛奇是一个知识全面、头脑冷静、目光锐利的军事家，就在普奥战争进行之中他已经发现了普军不少弱点。普军上下对骑兵的作用都认识和发挥不够，在普军翻越苏台德山脉时，他和下级指挥官都未派骑兵在前面警戒和侦察，行军处于一种盲目状态，结果在冲出山垭口时与奥军发生了遭遇战。如果奥军在山中或山垭口设伏，普军将吃大亏。此外，对骑兵屏护主力、阻滞敌军行进、反侦察等作用也未能发挥。
毛奇还发现普军炮兵武器和战术上都存在严重缺点。普军使用的大炮，很多还是前膛装填的滑膛炮，这种炮被证明比奥军普遍使用的后膛装填的线膛炮，在发射速率和准确度上都差得多。在战术上，普军习惯把炮兵放在行军纵队的尾部。所以当普军第二军团前卫部队从山垭口冲出与奥军遭遇时，就完全失去了炮火的保护。更为严重的是，当第一军团在萨多瓦向奥军正面发起进攻时，出现炮火支援迟缓的问题，普军步兵完全暴露在奥军火力之下，受创严重。
针对这两大弱点，毛奇在战后立即着手改革，将普军火炮全部更新为钢质、后膛装填的线膛炮，并对炮兵和骑兵指挥官进行新编队和新战术意识的培训。毛奇率先提出了一个具有现代意义的概念，即炮兵的预备队就是弹药。从此，普军在战斗中总是将所有能用上的炮兵都及早投入战斗。
经过毛奇几年的努力，普军在1870年投入普法战争时，无论在编制、装备、指挥，战术思想等方面，都远比法军准备充分。
在普鲁士人忙乎的时候，法国人也没有闲着。普奥战争一结束，拿破仑三世就眼巴巴地盼着俾斯麦答应给他领土“赔偿”的诺言兑现。谁知望穿秋水，俾斯麦一声不吭，就像压根儿没有这回事。拿破仑三世知道受了骗，心中极为不满。普鲁士人得寸进尺，又搞起了一个北德意志联邦，赫然一个大国屹立，法国要想再次称霸欧洲，可就遇到强硬对手了。拿破仑三世痛下决心，决不再姑息遗患，尽快以战争削弱普鲁土，阻止德国统一。
双方都在大规模地扩充军备，同时展开秘密的外交活动，孤立敌人，争取盟友。俾斯麦竭力想争取英、俄中立，拿破仑三世则力图拉拢奥地利、丹麦和意大利，组成反普同盟。老奸巨猾、巧舌如簧的俾斯麦显然比公子哥儿出身的法国皇帝技高一筹。俾斯麦颇有成就，拿破仑三世却接连碰壁，搞得臣民怨他无能，颇有要闹事的架势，逼得他只好尽早动武。
到1870年，普鲁士首先做好战争准备。可一时没有借口。按照俾斯麦的信条：只要需要，没有就去制造。俾斯麦眼睛滴溜溜一转，发现西班牙是个空子。原来的女王伊莎贝拉被1868年的革命推翻后，王位至今空着。俾斯麦派人秘密去马德里，收买西班牙临时政府，让他们邀请普王威廉的堂兄利奥波德亲王去当国王。这事俾斯麦、毛奇、罗昂一伙人事先没有告诉普王，他们怕威廉反对，阴谋就搞不成了。
果然，7月3日西班牙《回声报》披露利奥波德出任西班牙国王的消息后，正在埃姆斯温泉疗养的威廉国王闻讯大为惊讶，并立即表示反对。但反应最强烈的还是拿破仑三世，他简直跳了起来，一面向普鲁士提出抗议，一面扬言：谁敢派人去西班牙当国王，就同谁开战。
事情明摆着，他要让那个普鲁士人去做了国王，岂不是让人家两面夹攻吗？
7月9日，法国驻柏林大使奉命赶往埃姆斯谒见普王，要求制止利奥波德继承西班牙王位。威廉表示他将劝阻亲王接受邀请。利奥波德也随即发表声明，不去西班牙做国王。事情到此本就可以了结了，但是拿破仑三世还不放心，竟命令大使去向普王逼索永远不同意利奥波德继承西班牙王位的书面保证。这就做得太过分了，威廉毕竟是一国之君，岂能做这种丢脸面的事。他拒绝了大使的要求，并将会谈结果电告首相俾斯麦。
俾斯麦收到电文时，正同总参谋长毛奇和军政大臣罗昂共进晚餐。俾斯麦看了电文，诡谲地笑了笑，问：“对法国的战争早打好还是晚打好？”毛奇以他一贯的简洁语言回答：“如果真要打，晚打对我们不利。”俾斯麦于是提笔在电报上改了几个字，将原来比较温和的语气改成带有侮辱法国皇帝的意味，他一面将改过的电文递给毛奇和罗昂，一面说：“那头高卢牛看见这块红布会立刻激怒起来。”三人大笑。他们虽然知道这会引得国王龙颜大怒，但一个统一的德国足以平息他的怒气。这三个战争贩子对于德国的统一，实在比国王本人还要热切。
经过删改的电文在报上一发表，法国舆论大哗。拿破仑三世气急败坏，觉得受了侮辱，但也高兴有了发动战争的借口。1870年7月19日，法国对普鲁士宣战。普法战争爆发。拿破仑三世正中了俾斯麦、毛奇等人的圈套，他们正是要法国先进攻，这样普鲁士便处于民族防卫战的地位，有利于争得德意志民族的支持和国际舆论的同情。
法国为这次战争也进行了多年的准备，陆军大臣向皇帝一再吹嘘说，完全准备就绪。拿破仑三世信以为真，急忙调兵遣将，想迅速集中优势兵力，越过莱茵河，向法兰克福方向突袭，切断南北德意志的联系，强迫各邦国中立，然后联合奥地利和意大利直攻柏林。同时，舰队在波罗的海和易北河配合陆军行动。
皇帝的战略计划本也不错，可他的军队实在不争气，平时训练差，装备落后且不齐全，参谋指挥系统效率低。部队接到集中命令时，到处乱成一片，有的将军甚至找不到自己的部队。地图没有，军需品不足，索要粮草、弹药、帐篷的电报纷纷飞向巴黎总部。7月28日，对此一无所知的皇帝兴冲冲跑到梅斯前线，准备发动进攻，这才发现没有一支部队完成战争准备。又耽误了一个星期，法军才于8月2日开始进攻。
普军却利用这段时间迅速动员和集中起来。在毛奇效率很高的总参谋部的指挥协调下，普军三个主力军团，连同预备队和机动部队共40万人，在十天之内便全部集结于西南边境一带。毛奇侦知法军在梅斯和斯特拉斯堡分别集中兵力，便将三个军团配置在法军两部之间、孚日山后面从北到南一线，这样三个军团既可以互相支援，也可以集中力量攻击敌军一部。
8月2日，法军主力莱茵军团的三个军从梅斯向德国境内的萨尔布吕肯突进，普军一部受冲击，被迫后撤。毛奇立即命令第一军团向第二军团靠近，第三军团向南突击，阻止斯特拉斯堡一线法军北上增援。8月4日，普军开始全面反攻。
弗里德里希·威廉亲王率领第三军团共13万人向南前进，在维桑布尔附近越过国境，歼灭了一个埋伏在那里的法国师。8月6日与麦克马洪元帅统率的法军南线军团六个师接战，将其击退，同一天，普军一、二军团在福巴克击溃法军第二军一部。
普军这一系列攻势迅猛而凌厉，尤其是改进后的炮兵，双方步兵尚未靠近便以猛烈的火力向敌军轰击，给法军造成大量死伤，严重打击了法军士气，在普军步兵进攻时又提供连续不断的炮火支援。战斗中，普军无论在炮兵火力、步兵火力的配合上，都明显强于对方。法军被这一连串的打击弄得手忙脚乱，梅斯的大本营里一片惊恐气氛。拿破仑三世见形势不妙，立即把帅印交给巴赞元帅，自己坐上马车慌忙往西逃往夏龙。8月9日，麦克马洪留下一部坚守斯特拉斯堡，自己带领其余南线部队乘火车撤往夏龙。
毛奇从骑兵侦察队那儿及时掌握了法军动向，命令第一军团直趋梅斯；第二军团插向梅斯与南锡之间；第三军团从南锡向西前进，从侧翼包围法军。8月中，向西挺进的第一、二军团以骑兵为先头部队进行快速迂回，在格拉夫洛特以西截住了从梅斯往凡尔登退却的法军。8月16日，普军挫败法军往马斯河方向突围的计划，迫其在格拉夫洛特设防。8月18日，两军在格拉夫洛特交战，双方都投入了十几万军队，战斗进行得异常激烈。到傍晚，普军击败法军，攻入格拉夫洛特，迫使巴赞率领18万法军撤回梅斯要塞。普军乘势围城。
毛奇原计划没有设想法军主力会退守梅斯。法国人拙劣的战术使他喜出望外，他立即集中第一、二军团大部共15万人，由弗里德里希·查理士王子指挥围攻梅斯，将巴赞钉死在这里。其余部队另组一个缪斯军团，配合第三军团向巴黎进发，迫使法军在巴黎以东地区会战。
此时，麦克马洪元帅在夏龙又重新组成了一个新军团，共13万余人，他决定退守巴黎。
8月21日，部队出发不久，麦克马洪接到大本营电报，要他火速驰援正在突围的巴赞部队。
麦克马洪被迫回师东进。8月26日，麦克马洪向北绕道迂回到色当以南地区，避开从南锡往西北前进的普军缪斯军团。
毛奇从骑兵侦察队那儿得知麦克马洪正向梅斯开进，一时颇为疑惑，难道法国人连首都都弃之不顾了吗？因为巴黎方面已经没有防卫部队了。8月29日，他从被俘的法军参谋人员口中得知确切消息，立即命令缪斯军团和第三军团向北疾进，阻止麦克马洪渡过马斯河。
麦克马洪在途中得知巴赞仍被围在梅斯，普军两个军团又渐渐逼近，知道救援巴赞已无可能，为免全军被困，唯一出路是向北撤退。但拿破仑三世不甘心放弃梅斯的法军主力，命令麦克马洪继续东进。法军指挥混乱，命令反反复复，搞得部队疲劳而沮丧，而且也错过了战机。
8月30日，普军前锋部队赶到，随即发起袭击。法军正在进食，措手不及，受到重创。
当晚，麦克马洪命令部队进驻与比利时接壤的色当要塞。拿破仑三世也进入色当。
毛奇命令缪斯军团越过马斯河，抢占通往比利时的阿登山口，从北面和东面包围法军，第三军团截断法军往巴黎的退路，从南面和西面发起进攻。8月31日，普军从四面向色当附近的法军发起猛攻。毛奇对普王威廉说：“近卫师开始进攻了，我祝贺陛下取得本世纪最伟大的胜利。”经过一天激战，法军被压缩在要塞周围一片狭小的地域内。黄昏时分，毛奇观察着地图，见合围已经完成，不禁得意地说：“现在我们把他们关在一个老鼠笼子里了。”
色当城周围小山环绕，法军驻扎城内，位置极为不利。麦克马洪当初退至色当，并不打算在这里组织防守，不过想休息两天，然后往西南撤退。没料到普军进军如此神速，两夜之间便使他成了瓮中之鳖。
9月1日凌晨，大雾弥漫，法军迅速占领阵地，准备抗击普军进攻。普军155000人已进抵前沿，占领了周围几乎所有高地，七百门火炮一齐对准色当城。俾斯麦和普王站在一个离色当只有三公里的小山上，用望远镜俯瞰着雾气笼罩的色当城，等待着欣赏胜利的全过程。
不久，雾气开始消散，色当要塞的轮廓渐渐显现出来。毛奇下令总攻，七百门大炮一齐怒吼，炮弹像雨点般落在法军的阵地上和城内的房屋上，到处是一片震耳欲聋的爆炸和熊熊大火，法军士兵争先恐后往堡垒里乱钻。上午七时，法军总指挥麦克马洪元帅在视察前沿阵地时被炸成重伤，被迫交出指挥权。当时法军还控制着城北一处高地，这是法军唯一可能的退路。可是法军将领们却在是否突围的问题上发生争吵，普军趁机攻占北部高地，将十余万法军全部装入袋中。此后，普军采取联合火力，集中炮火进行压制性射击，猛烈的炮火时而转向东侧，时而移向西部，轰得法军士兵不知所措，惊恐乱窜，互相践踏，死伤累累。色当成了名副其实的地狱。
拿破仑三世绝望地躲在地堡内，称霸欧洲的雄心壮志已然灰飞烟灭。他反复考虑，实在不愿意享受一个皇帝战死的罕见的光荣。下午三时，他下令在中央塔楼上升起白旗，并派人向普王递交了求降书。9月2日上午，拿破仑三世在童雪里村会见俾斯麦，法军正式投降。
至此，色当战役结束。此役法军死伤一万七千余人，被俘十万三千人，其中包括法国皇帝、元帅和39名将军。此外还交出各种火炮550余门，车辆一千余辆，战马六千匹。色当战役是一个典型的完全的包围战，在世界战争史上具有重要的意义，影响十分深远。
随后，毛奇指挥普军长驱直入，继续向巴黎推进。这次他决心贯彻他的信条；政治不得妨碍战争的进程，直至战争结束。他决心不让任何人使他的胜利再打折扣。
法军战败投降和普军继续入侵的消息传到巴黎，人民群众异常愤怒，以革命推翻法兰西第二帝国，成立法兰西第三共和国，从此结束了法国历史上的王朝统治时代。
9月19日，普军进围巴黎。9月28日，被围在斯特拉斯堡的法军投降。10月28日，被围在梅斯的巴赞元帅投降。普法战争结束。
普法战争是十九世纪最大的战争之一，双方共投入兵力70多万人，火炮近三千门。这次战争是毛奇最成功的军事杰作。他在战前进行了充分的准备，了解了法军的组织、装备、训练和运输能力等所有情况，领导总参谋部制订了周密的作战计划，并吸取了普奥战争的教训，对炮兵武器、战术及骑兵战术进行了革新，使炮兵和骑兵在整个战争尤其是色当战役中发挥了重要的作用。由于他的远见卓识和切实不懈的努力，使普军无论在兵力、火力、机动能力和战术上都明显优于法军，从战争一开始便占据了压倒优势。毛奇的指挥巧妙果断，随机应变，几乎无懈可击。由于他在普奥战争中树立了威信，指挥官们信任和服从他的指挥，也使得他的战术意图得到完全的实现。
普鲁士对法战争的胜利，把南德意志几个独立的邦国吓坏了，赶忙于1870年底发表声明，宣布加入德意志联邦。1871年1月18日，普王威廉一世在法国凡尔赛王宫正式宣布德意志帝国成立，并自封为第一任皇帝。德意志经过近六百年分崩离析的时代，终于统一成为一个现代的资产阶级国家。
1月28日，巴黎“国防政府”同德国签订停战协定，解散全部法国正规军。2月26日在凡尔赛签订了初步和约，5月10日在法兰克福签订了正式和约，法国割让阿尔萨斯和东洛林给德国，并赔款50亿金法郎。
威廉坐上了德意志皇帝的宝座，眉开眼笑，踌躇满志，对俾斯麦、毛奇一伙愚弄他的恼恨早已烟消云散。他在庆功宴会上说：“您，罗昂将军，磨亮了宝剑，您，毛奇将军，使用了宝剑，您，俾斯麦伯爵，多年来如此卓越地掌管我的政策，每当我感谢军队时，就特别地想到你们三位。”
当然，这完全是颠倒主次的胡说八道。真正导致德国统一战争胜利的，是历史发展的要求，是德国的民族运动，是德意志人民英勇奋战的结果。毛奇，俾斯麦等人不过是历史偶然选中的工具而已。
普法战争的胜利，使毛奇的声誉大增，他被公认为当时欧洲最杰出的军事家。1871年，他因功晋升元帅，赐封伯爵，并得到议院的大笔金钱奖赏。1872年，他成为上议院议员。1876年，在他的出生地举行毛奇纪念碑揭幕典礼。他担任德意志帝国的总参谋长一直到1888年，当时，他已是高龄，为照顾他，还特设了总军需官协助他处理日常事务。这期间，他主要致力于研究德国东西两线同时作战的问题，他从青年时起就坚持认为德国有一天将不可避免地同时对俄国和法国作战。
毛奇的最后几年是平静，勤奋和忙碌的，他完成了《论1870—1871年战争》的大型论文。1888年，他退役后还担任国家保卫委员会会长，他的军国主义热情并未因高龄而有所衰退，依然在议会里起劲地鼓吹战争不可避免，要求进一步扩军备战。
1891年4月24日，毛奇病逝于柏林。依照他军事地理学家一贯准确的算法，享年九十岁。他算不上十九世纪最伟大的军事家，但却是最具现代意识的军事家，他对后世的影响是巨大的。他创建的总参谋部的现代指挥体系，至今仍为许多国家所沿用，他的东西两线作战，分进合击，速决战等战略战术思想，对第一次世界大战和第二次世界大战都具有明显的影响。