Bismarcks nächstes Ziel war die politische Überschreitung der Mainlinie und die Zusammenfassung ganz Deutschlands unter preussischer Führung. Die entscheidende Macht in diesem Zusammenhang war Frankreich. Während der Konflikt mit Österreich im Rahmen von Bismarcks Deutschlandpolitik unvermeidlich gewesen war, wäre mit Frankreich auch eine Verständigung im Stil der Kabinettspolitik möglich gewesen. Es war deshalb ganz in Bismarcks Sinn, dass Napoleon III. angesichts des immer stärkeren innenpolitischen Drucks dringend außenpolitische Erfolge brauchte. Da Bismarck Benedetti in Bezug auf die Kompensationsfrage mehrfach auf Gebiete verwiesen hatte, in denen Französisch gesprochen wurde, forderte Napoleon III. am 22. August 1866 die preussische Unterstützung bei der Annexion von Belgien und Luxemburg. Als Ausgleich für Luxemburg und Belgien bot er Preussen seine Zustimmung zu einer „Union“ der süddeutschen Staaten mit dem Norddeutschen Bund an. Bismarck signalisierte, er würde einer französischen Übernahme Luxemburgs stillschweigend zustimmen, vermied es aber mehrere Monate, mit Benedetti über dessen konkreten Bündnisentwurf zu verhandeln. Zu Recht fürchtete er, durch eine offene Allianz mit Frankreich seinen Rückhalt bei der Nationalbewegung zu verlieren, und sich dadurch einseitig festzulegen.
Frankreich entschloss sich deshalb am 16. März 1867, dem niederländischen König und Großherzog von Luxemburg, Wilhelm III., ein Kaufangebot für Luxemburg zu unterbreiten. Wilhelm III., der nichts von französischen Verständigung mit Preussen wusste, sorgte sich um die preussischen Beziehungen, da in Luxemburg noch eine preussisch besetzte Bundesfestung stand. Er stimmte deshalb am 19. März dem Verkauf nur unter der Bedingung zu, dass Preussen keine Einwände habe. Am selben Tag veröffentlichte Bismarck die Schutz- und Trutzbündnisse mit den süddeutschen Staaten gegen Frankreich, was wie eine Warnung an Wilhelm III. aussehen musste. Tatsächlich war die Veröffentlichung ein innenpolitisches Manöver und als Erwiderung gedacht auf den im Reichstag geäußerten Vorwurf, man habe Süddeutschland mit der Gründung des Norddeutschen Bundes im Stich gelassen. Jedenfalls richtete der niederländische König eine offizielle Anfrage an den preussischen König, ob dieser dem Verkauf zustimme. Eine ebenso offizielle Zustimmung hätte bei Bekanntwerden einen Konflikt mit der Nationalbewegung heraufbeschworen, zumal eine Indiskretion die französisch-niederländischen Verhandlungen öffentlich machte. Aber auch in diesem Fall profitierte Bismarck von der Wendung der Ereignisse, indem er die entstehende nationalistische Erregung in ganz Deutschland zur Durchsetzung der Verfassung des Norddeutschen Bundes nutzte. Mit Verweis auf die Stimmung in der deutschen Öffentlichkeit lehnte er es ab, dem Handel zuzustimmen und warnte sogar vor einem möglichen Krieg. Der neue französische Außenminister Marquis de Moustier erklärte daraufhin, man fühle sich von Preussen hintergangen, betonte aber, dass Frankreich keinen Krieg wünsche. Der Kurs der Pariser Regierung war von nun an klar anti-preussisch. Bismarck, der ebenfalls wegen Luxemburg keinen Krieg riskieren wollte, drängte währenddessen England und Russland zu einer Intervention im Haag, um den Abschluss des Handels zu verhindern. Obwohl der Minister hierbei keinen Erfolg hatte, entschloss sich Wilhelm III. am 5. April 1867, den Vertrag mit Frankreich nicht zu unterzeichnen.
Während Generalstabschef Moltke einen Konflikt für unvermeidlich hielt und erneut seinen Plan eines nationalen Präventivkrieges gegen Frankreich ins Spiel brachte, erklärten sich Preussen und Frankreich bereit, eine internationale Regelung zu akzeptieren. Daraufhin berief die englische Regierung eine Großmächtekonferenz in London (7. – 11. Mai 1867) ein, auf der das Großherzogtum Luxemburg für unabhängig und neutral (wirtschaftlich blieb es Bestandteil des Zollvereins) erklärt wurde. Preussen verpflichtete sich unter Aufgabe seines Besatzungsrechts zum Abzug seiner Truppen aus der Festung. Diese internationale Lösung, die eine Abkehr von der preussischen Machtpolitik der vorangehenden Jahre darstellte, war in dieser begrenzten Frage aus Bismarcks Sicht notwendig. Obwohl der Kompromiss vor allem für Napoleon III., der dadurch noch stärker unter Druck geriet, eine schwere Niederlage war, betrachteten auch Wilhelm I. und die deutschen Nationalisten ihn als unrühmlichen Verlust deutscher Gebiete. Bismarck dagegen war mit der glimpflichen Beendigung der Krise zufrieden, obwohl sie ihm nicht die erhoffte Unterstützung beim Überschreiten der Mainlinie gebracht hatte.
In dieser Frage schien die preussische Außenpolitik längerfristig festgefahren. Kurz nach dem Abschluss der Schutz- und Trutzbündnisse im August 1866 war die Bereitschaft der süddeutschen Staaten zu einer Union mit dem Norddeutschen Bund oder sogar zum Eintritt in den Bund stark gewesen. Allerdings sorgte Bismarcks Politik in den folgenden Monaten für eine veränderte Stimmung: Die Annexionen Preussens gaben dem Norddeutschen Bund den Charakter eines großpreussischen Staates, und die vorgelegte autoritäre Verfassung des Bundes schreckte die liberalen Nationalisten des Südens ab. Vor allem durch die Veröffentlichung der geheimen Schutz- und Trutzbündnisse fühlten sich die süddeutschen Staaten unter Druck gesetzt, da nun der Charakter der Bündnisse als Instrumente zum Vorantreiben der Einigungsfrage offenbar wurde. Ihre Regierungen, die um ihre Souveränität fürchteten und unter dem Druck der Partikularisten standen, suchten sie deshalb zu reinen Defensivvereinbarungen herunterzustufen. Allein Baden war noch zu einer Union mit dem Norden bereit. Auch der in Nikolsburg und Prag angeregte Südbund, den Bismarck insgeheim begrüßte und der die alten einzelstaatlichen Loyalitäten hätte verkümmern lassen können, kam nicht zu Stande. Einzig auf militärischem Gebiet gelang Anfang Februar 1867 ein Erfolg: Die süddeutschen Staaten übernahmen die preussische Wehrverfassung, und durch den Austausch von militärischem Personal schritt die „Verpreußung“ der Armeen des Südens rasch voran.
Nachdem Bismarck Ende April 1867 erkannt hatte, dass ein Anschluss oder eine Union sich kurzfristig nicht verwirklichen lassen würde, bemühte er sich um die Durchsetzung der bereits geplanten Minimallösung: Reform des Zollvereins und Einrichtung eines Zollparlaments. Dieses Parlament mit gesetzgeberischen Kompetenzen ausschließlich im Zollbereich sollte aus Abgeordneten des norddeutschen Reichstages und in den süddeutschen Staaten gewählten Abgeordneten bestehen. Preussen würde das Präsidium innehaben und zu Verhandlungen mit fremden Mächten berechtigt sein. Nach schwierigen Verhandlungen wurde der nach Bismarcks Vorstellungen gestaltete Vertrag zur Erneuerung des Zollvereins unterzeichnet (8. Juli 1867) und von den süddeutschen Parlamenten und dem Reichstag ratifiziert. Die folgenden Wahlen zum Zollparlament am 10. Februar 1868 wurden allgemein als Abstimmung über Deutschlands Zukunft betrachtet. Das Ergebnis war eine vernichtende Niederlage für Bismarck und die Nationalisten. In Baden, wo die Regierung den Zollverein als Schritt zur nationalen Einigung propagierte, und in Hessen gewannen die Nationalisten nur knapp, in Bayern und Württemberg unterlagen sie deutlich gegen den politisch und konfessionell motivierten Partikularismus. Die Mehrheit der süddeutschen Abgeordneten im Zollparlament war damit gehalten, sich jeder Ausweitung der Kompetenzen des Gremiums zu widersetzen. Damit war der Zollverein als Hebel zur deutschen Einigung bis zu seiner vorgesehenen Erneuerung 1877 ausgeschaltet. Auch der im Januar 1870 gefasste Plan, den preussischen König zum Kaiser von Deutschland zu proklamieren, um eine Einigung für die süddeutschen Staaten akzeptabler zu machen, scheiterte zunächst am Widerstand Englands und Frankreichs und bei einem zweiten Versuch im März an der Ablehnung der süddeutschen Könige.
Nun musste die europäische Politik einen Ansatzpunkt für eine Erweiterung des Norddeutschen Bundes bieten. Während der Luxemburg-Krise hatte die Spannung ständig zugenommen, und neben der gut geölten deutschen Militärmaschine rüsteten auch Frankreich und (im Rahmen seiner Möglichkeiten) Österreich auf. Die Suche nach Bündnispartnern für den Kriegsfall begann, wobei Frankreich im Zentrum aller Überlegungen stand: Sowohl Russland und Österreich wünschten französische Unterstützung gegen die jeweils andere Macht auf dem Balkan. Mit Wien verband Paris zudem das gemeinsame Interesse, die weitere Ausdehnung der Macht Preussens zu verhindern. Der neue österreichische Ministerpräsident Ferdinand von Beust, zuvor Minister in Sachsen und erbitterter Gegner Bismarcks, wollte sich darüber hinaus für die Niederlage von 1866 revanchieren und Österreich wieder stärker in Deutschland verankern. Dazu wünschte er zwar eine Zusammenarbeit mit Frankreich, konnte aber mit Blick auf die öffentliche Meinung keine weitreichende Übereinkunft riskieren. Zudem hatte die ungarische Reichshälfte kein Interesse an einer Rückverschiebung Richtung Deutschland, sondern befand sich auf dem Balkan in Frontstellung gegen Russland. Als gegen Ende der Luxemburg-Krise der französische Botschafter Gramont ein gegen Preussen gerichtetes Bündnis zur französischen Annexion der Rheinlinie vorschlug, musste Beust deshalb zwar ablehnen, regte aber seinerseits eine Allianz in der wieder aufgeflammten orientalischen Frage an, die gewissermaßen als Nebenwirkung auch Konsequenzen in Deutschland haben könne. Beust wollte über Bande spielen: Er engagierte sich parallel zu Russland für den Aufstand Kretas gegen die osmanische Herrschaft, um einen Krieg gegen Russland zu provozieren. Preussen hätte in einer solchen Auseinandersetzung auf russischer Seite eingreifen müssen, so dass bei einem österreichisch-französischen Sieg gegen Russland und Preussen das Fernziel, die Revision der Niederlage von 1866, in Reichweite gelegen hätte. Im Herbst 1867 kam es tatsächlich zu einer zeitweiligen Zusammenarbeit der beiden Mächte in den türkischen Angelegenheiten, die sich zudem gemeinsam für die Erhaltung des Status quo (i.e. die Bewahrung der Unabhängigkeit Süddeutschlands) in Deutschland aussprachen.
Russland war besorgt wegen des österreichischen Engagements im Osten und fürchtete, die Wien werde Unruhen auf dem Balkan zu einer militärischen Intervention nutzen. Parallel zu Beust hatte sich deshalb der russische Außenminister Gortschakow um einen Verbündeten bemüht, war aber in London und Paris abgewiesen worden. Daraufhin wandte er sich nach Berlin: Angesichts der österreichisch-französischen Entente bot Russland Preussen im März 1868 ein gegen Österreich und Frankreich gerichtetes Defensivbündnis an, ein Ausdruck der neuen Gleichrangigkeit zwischen beiden Mächten. Sollten Russland von Österreich oder Preussen-Norddeutschland von Frankreich angegriffen werden, sollte die jeweils nicht angegriffene Macht eine Armee an der österreichischen Grenze aufmarschieren lassen. Bismarck lehnte ein schriftlich fixiertes Bündnis mit der Begründung ab, sowohl Preussen als auch Russland seien ihren jeweiligen Gegnern allein gewachsen, Damit vermied er, sich zur Unterstützung Russlands gegen Österreich zu verpflichten, sicherte dem Zaren aber gleichzeitig zu, sich bei einem gemeinsamen Angriff Österreichs und Frankreichs auf Russland an der französischen Grenze zu engagieren, das gebiete die Interessengleichheit beider Länder. Bismarck favorisierte damit – wie Beust mit Frankreich – eine Entente statt einer Allianz. Die Weigerung, eine formelle Allianz einzugehen, schadete Bismarck allerdings zusätzlich bei seinen recht erfolglosen Bemühungen in Süddeutschland, denn nun unterstützte neben Österreich und Frankreich auch der Zar die Aufrechterhaltung der mit Russland dynastisch verbundenen süddeutschen Monarchien. Da England preussische Pression gegen Süddeutschland ebenfalls als untragbar betrachtete und die deutsche Einigung nur als Ergebnis eines evolutionären Vorgangs akzeptieren wollte, gab es eine geschlossene europäische Front gegen die preussischen Expansionswünsche. Eine direkte Offensive hätte also zur Intervention der anderen Großmächte geführt.
Trotz dieser Konstellation und trotz des Sieges der Partikularisten bei den Wahlen zum Zollparlament gewann Napoleon III. im März 1868 die Überzeugung, dass die Einverleibung Süddeutschlands in den Norddeutschen Bund nur eine Frage der Zeit sei. Er wandte sich erneut nach Wien, um zu einer gemeinsamen Strategie in der deutschen Frage zu finden. Beust beharrte aber auf der orientalischen Frage als Bündniszweck. Im Juli 1868 schlug Frankreich erneut ein aktives Bündnis gegen Preussen zur Wiederherstellung der österreichischen Machtposition in Deutschland („Südzange“) vor, was Beust wieder mit dem Verweis ablehnte, ein solches Vorgehen schade dem Ansehen Österreichs in Deutschland. Als Alternative brachte er eine allgemeine europäische Abrüstung ins Spiel, die Preussen ein wichtiges Druckmittel genommen hätte. Aber Mitte Oktober 1868 ließ Lord Clarendon, der künftige englische Außenminister, den Kaiser der Franzosen wissen, dass er nichts von einem Abrüstungsmanifest hielt. Trotz dieser Rückschläge waren Napoleon III. und Beust weiter bemüht, zu einer Verständigung zu gelangen. Obwohl der Kaiser die östliche Basis der Entente akzeptierte, wollte er nicht in einen neuen Krimkrieg geraten, während Österreich auf jeden Fall vermeiden musste, an der Seite Frankreichs in einen französisch-deutschen Krieg verwickelt zu werden.
Im Februar 1869 zeichnete sich ein Kompromiss aber, der der russisch-preussischen Entente glich: Im Fall eines österreichisch-russischen Krieges sollte Frankreich durch Aufmarsch an der preussischen Grenze den Partner Russlands neutralisieren, während Österreich umgekehrt bei Beginn eines französisch-preussischen Krieges das russische Potential binden sollte. Die am 10. Mai 1869 abgeschlossene offensive und defensive Allianz war äußerst vorsichtig formuliert, da der österreichische Botschafter Metternich fürchtete, durch die Erwähnung konkreter Bündnisziele (Rückverschiebung der Donaumonarchie nach Deutschland, die Rheingrenze für Frankreich) die Ungarn bzw. die Deutschösterreicher zu alarmieren. Zudem sollte auch die italienische Regierung in Florenz für das Bündnis gewonnen werden, um die österreichische Südgrenze zu entlasten. Dieser Plan scheiterte an den italienischen Forderungen nach Rom (der Kirchenstaat wurde durch französische Truppen geschützt) und der Isonzogrenze von Österreich. Gleichzeitig verschärfte sich die innenpolitische Krise in Frankreich: Bei den Parlamentswahlen am 23. Mai 1869 erlitten die napoleonischen Kräfte eine Niederlage, und im August 1869 sorgte eine schwere Erkrankung Napoleons III. für einen Stillstand in der französischen Politik. Durch eine Indiskretion der italienischen Regierung wurden die Verhandlungen über eine Tripel-Allianz bekannt und führten zu einer Intervention Clarendons, da Italien als englische Einflusszone betrachtet wurde. Die Offenlegung der Verhandlungen verhinderte schließlich die Unterzeichnung des Vertragsentwurfs, dennoch verließ sich Napoleon III. auf die österreichische Unterstützung im Kriegsfall. Beust dagegen beharrte darauf, bei Ausbruch eines französisch-preussischen Krieges neutral zu bleiben. Er wollte sich wie Napoleon III. 1866 mit minimalem Aufwand maximalen Gewinn verschaffen.
Innenpolitisch reagierte Napoleon III. auf die Wahlniederlage mit dem Übergang zum pseudo-parlamentarischen Empire libéral und beauftragte am 27. Dezember 1869 den Oppositionsführer Émile Olivier mit der Regierungsbildung. Bismarck hielt angesichts dieser Entwicklung mehrere Optionen für gegeben: Ein Sturz des Regimes in Frankreich hätte zu innerem Chaos und zum Abzug des Interesses von Deutschland geführt, so dass Preussen ungestört einen evolutionären Einigungsprozess hätte durchsetzen können. Andererseits könnte der unberechenbare Napoleon III. wie in der Vergangenheit versuchen, durch äußere Abenteuer von den inneren Problemen abzulenken, wobei er auf die französische Furcht vor der Konsolidierung eines mächtigen Staates an der östlichen Grenze setzen konnte. Auch in Teilen der neuen französischen Regierung dominierte die Vorstellung vom unvermeidlichen Krieg. In dieser gespannten Situation wurde im Sommer 1870 ein Konflikt um die spanische Thronkandidatur eines Hohenzollernprinzen zum Auslöser des deutsch-französischen Krieges.
Im September 1868 war die bourbonische und pro-französische Königin Isabella II. in Spanien gestürzt worden. Da man nicht wieder einen Bourbonen krönen wollte und portugiesische und italienische Kandidaten ablehnten, wandte sich die spanische Regierung nach Deutschland und fasste den Prinzen Leopold von Hohenzollern-Sigmaringen ins Auge. Frankreich reagierte alarmiert, denn die süddeutsche Linie der Hohenzollern wurde praktisch als Teil des preussischen Königshauses betrachtet, und Leopold war preussischer Offizier. Bismarck beruhigte den französischen Gesandten Benedetti im Mai 1869, der Prinz habe eine entsprechende Einladung abgelehnt. Tatsächlich hatten Leopold und sein Vater Karl-Anton, der preussische Militärgouverneur im Rheinland und Westfalen, ernstliche Bedenken. Als am 24. Februar 1870 das spanische Angebot in aller Form gemacht wurde, erkundigten sie sich bei Wilhelm I. und Bismarck, ob eine Annahme der heiklen Kandidatur im Interesse der preussischen Macht erforderlich sei. Bismarck bemühte sich, den Schein aufrecht zu erhalten, die Kandidatur sei eine reine Familienangelegenheit und er sei als Kanzler und Ministerpräsident nicht damit befasst. Tatsächlich hielt er die Kandidatur für einen Ausweg aus der Sackgasse, in der sich die deutsche Frage befand: Entweder würde die Auseinandersetzung darüber zum Krieg mit Frankreich führen, oder die Reaktionen auf den Vorgang würden das napoleonische Regime stürzen. Inoffiziell befürwortete er deshalb gegenüber Wilhelm I. eine Annahme mit dem Hinweis, eine propreussische Regierung in Spanien würde einen Krieg mit Deutschland für Frankreich gefährlicher und damit unwahrscheinlicher machen. Davon konnte er allerdings selbst kaum überzeugt sein, denn Leopold konnte die Spanier kaum unmittelbar nach seiner Thronbesteigung in einen Krieg für deutsche Interessen führen. Der König sah vor allem die Gefahr eines erneuten Umsturzes im unruhigen Spanien voraus, der dem Ansehen des ganzen Hauses geschadet hätte, falls ihm ein Hohenzoller zum Opfer fiele. Er wollte der Annahme der Krone nur zustimmen, wenn Leopold selbst sie als seine Pflicht betrachtete. Leopold wiederum wollte nicht ohne die Zustimmung Wilhelms I. annehmen. Mit einem ablehnenden Telegramm nach Madrid am 4. Mai 1870 schien die Angelegenheit deshalb erledigt. Doch Bismarck gab sich nicht zufrieden und unterstützte eine Wiederaufnahme der Kandidatur. Wilhelm I. war entrüstet, blieb jedoch bei seiner Haltung, er werde sich einem ausdrücklichen Wunsch Leopolds nicht widersetzen. Diesmal ließ sich Leopold bewegen, eine Annahme trotz der Vorbehalte des Königs als seine Pflicht zu betrachten. Bismarck zog sich nun rasch aus der „Familienangelegenheit“ zurück, obwohl allein seine Verknüpfung der Kandidatur mit dem preussischen Staatsinteresse die Annahme erst bewirkt hatte. Nachdem der König widerwillig seine förmliche Zustimmung erteilt hatte, sollte Leopold im November 1870 von den spanischen Cortes (Räten) gewählt werden. Aber am 2. Juli wurde der Vorgang in Paris bekannt, und sorgte dort für helle Aufregung. Da Bismarck diese Reaktion vorausgesehen haben musste, suchte er durch seine Unterstützung der Kandidatur offenbar die offene Konfrontation mit Frankreich. Die Ansicht einiger Historiker, er habe im Sinne seines gegenüber Wilhelm I. verwendeten Arguments einen Verbündeten im Westen gesucht, also ein rein defensives Motiv gehabt, impliziert zugleich die absurde Annahme, dass der geniale Taktiker Bismarck gegen seinen Willen in den Krieg gezogen wurde.
In Paris war seit dem 15. Mai 1870 der frühere Botschafter in Wien, Herzog von Gramont, Außenminister. Er war von der überlegenen Macht Frankreichs überzeugt und rechnete fest mit der Zuverlässigkeit des österreichischen Bündnisses. Auf die Nachrichten aus Madrid reagierte er eigenmächtig mit einem drohenden Telegramm nach Berlin, ließ Proteste in den Regierungszeitungen veröffentlichen und hielt eine Brandrede im Parlament. Darauf schickte er den Botschafter Benedetti nach Bad Ems, wo Wilhelm I. zur Kur weilte, um eine Rücknahme der Kandidatur zu erreichen. Entgegen der offiziellen Linie Bismarcks, jede Kenntnis zu leugnen, gestand Wilhelm I. seine Billigung der Annahme ein und erreichte, dass Karl Anton die Kandidatur am 12. Juli in Leopolds Namen zurückzog. Damit hatte er Bismarcks Politik den Boden entzogen. Preussen war durch das erpresste Nachgeben diplomatisch gedemütigt worden, und mit der gewünschten Aggression Frankreichs war nicht mehr zu rechnen. Bismarck versuchte, den Konflikt aufrecht zu erhalten, indem er die öffentliche Entrüstung über Gramonts „beleidigenden Ton“ anstachelte. Doch dann machte das Verhalten der französischen Seite seine Bemühungen überflüssig. Die Öffentlichkeit und das Parlament empfanden die Genugtuung als völlig unzureichend. Auch Gramont war unzufrieden, weil der Verzicht bisher nur durch Karl Anton, nicht von Wilhelm I. selbst erklärt worden war. Noch am Abend des 12. Juli instruierte er Benedetti, von Wilhelm I. eine Garantie der Verzichtserklärung zu fordern. Der König lehnte diese Forderung am 13. Juli empört ab und ließ ein Protokoll des Gesprächs mit dem Gesandten an Bismarck senden. Dieser erkundigte sich nochmals, ob die preussische Armee kriegsbereit sei, und veröffentlichte eine redigierte Fassung dieser Emser Depesche, nach der der König nicht nur die Forderung, sondern jede weitere Erörterung der Angelegenheit abgelehnt hatte. Daraufhin beschloss das französische Kabinett am 15. Juli, Preussen den Krieg zu erklären. Die Maßlosigkeit der französischen Garantieforderungen, die auf der beanspruchten Sonderstellung als Hegemonialmacht in Westeuropa beruhten, trieb die süddeutschen Staaten Preussen zu und isolierte Frankreich auch international.
Mit der Kriegserklärung Frankreichs an Preussen am 19. Juli 1870 wurden automatisch die Defensivbündnisse mit den süddeutschen Staaten aktiviert, die eigentlich die Unterstützung Preussens für einen der Mittelstaaten hätten sichern sollen. Die nationalistische Erregung in ganz Deutschland ließ auch die zuvor immer lauter gestellte konstitutionelle Frage in den Hintergrund treten. Die europäischen Mächte hielten sich zurück, obwohl Frankreich zu Beginn des Krieges noch fest mit der Unterstützung Italiens und Österreichs rechnete. Russland stand entsprechend der im März 1868 vereinbarten Entente an Preussens Seite und bestätigte, dass es bei einem österreichischen Eingreifen Galizien besetzen würde. Angesichts des russischen Aufmarsches an der österreichischen Grenze drängte Beust zum Eingreifen im Osten, weil er nun die Chance sah, mit einer Unterstützung Frankreichs an einem Sieg gegen Preussen zu partizipieren. Franz Joseph entschied sich jedoch für eine Neutralitätserklärung, nachdem sowohl Bismarck als auch Zar Alexander die territoriale Integrität der Habsurgermonarchie garantiert hatten. In Italien versprach zwar König Viktor Emanuel eine Unterstützung Frankreichs, konnte sich aber wegen der französischen Besetzung Roms nicht durchsetzen; auch Italien blieb neutral. Um England schließlich bemühten sich die beiden kriegführenden Mächten intensiv. Als Napoleon III. allerdings erklärte, die Neutralität Belgiens wahren zu wollen – woran London hauptsächlich gelegen war – legte Bismarck die französische Forderung nach Belgien vom 22. August 1866 vor und erweckte den Eindruck, sie sei neueren Datums. Daraufhin verlangte die englische Regierung von beiden Parteien eine Garantie der belgischen Grenzen und zog sich gleichfalls in die Neutralität zurück.
Als am 4. August 1870 die gut vorbereiteten deutschen Streitkräfte mit einer Offensive begannen, waren die Franzosen noch nicht voll einsatzbereit. So gelang Preussen ein relativ rascher Sieg: Nach Schlachten bei Wörth und Spichern, Mars La Tour und Gravelotte wurde die französische Hauptarmee unter Bazaine in der Festung Metz eingekesselt. Die übrigen Truppen unter MacMahon mussten nach einer Schlacht bei Sedan am 1. September 1870 kapitulieren, Napoleon III. geriet in Kriegsgefangenschaft. Auf diese Nachricht hin erhob sich das Volk in Paris gegen die Regierung, und am 4. September wurde die Republik ausgerufen. Zwei Wochen später standen die Sieger von Sedan vor der Stadt. Sie wurde wie Metz durch einen Belagerungsring eingeschlossen, der den größten Teil der deutschen Streitkräfte band. Am 20./21. September verhandelte Bismarck mit dem neuen Außenminister Jules Favre über einen Waffenstillstand. Favre erklärte die Zustimmung zur deutschen Einigung und die Friedensbereitschaft auf der Basis des Status quo, schloss aber kategorisch jede Gebietsabtretung aus, während Bismarck auf der Annexion von Elsaß-Lothringen bestand.
Diese schon bei Kriegsbeginn von der Nationalbewegung erhobene Forderung verlängerte den Krieg um einige Monate und brachte Bismarck in außenpolitische Bedrängnis, da nun doch eine Intervention drohte. Das verbündete Russland hielt die Annexion für politisch gefährlich. Der wegen der völkischen Begründung des Vorhabens empörte Zar riet schon im August 1870 ab und ließ sich auch durch die Betonung der Gemeinschaft der sozialkonservativen Großmächte nicht beruhigen. Darauf bot Bismarck preussische Unterstützung gegen die Schwarzmeerklauseln von 1856 an. Nachdem die russische Zustimmung so erkauft worden war, meldete auch das wegen des Mächtegleichgewichts besorgte England Bedenken an. Clarendons Nachfolger im Außenministerium, Granville, schlug am 16. Oktober 1870 in Petersburg gemeinsame Schritte zur Sicherung eines annehmbaren Friedens vor. Gortschakow wies ihn ab und kündigte am 31. Oktober die Schwarzmeerklauseln von 1856 auf. England bemühte sich nun um preussische Vermittlung, die zu einer europäischen Konferenz führte und vom deutsch-französischen Krieg ablenkte. Bismarck konnte es sich nun sogar leisten, die Kompromissvorschläge abzulehnen: England schlug eine Neutralisierung Elsaß-Lothringens nach dem Vorbild Luxemburgs und Belgiens vor, während Russland für einen Kauf der Gebiete durch den Norddeutschen Bund plädierte. Beide Mächte akzeptierten die Ablehnung Bismarcks, da sie preussische Unterstützung auf der Schwarzmeerkonferenz in London (Januar – März 1871) erwarteten. Zum Glück für Bismarck konnten sich England und Russland erst am 13. März 1871 auf eine Aufhebung der Schwarzmeerklauseln einigen, so dass er in Frankreich freie Hand hatte und den Krieg isoliert zu Ende führen konnte.
Mittlerweile war Metz am 27. Oktober 1870 gefallen, die deutschen Armeen beschossen seit dem 27. Dezember 1870 Paris täglich mit Granaten, und noch immer war kein Ende des Krieges in Sicht. Stattdessen wurde der Volkskrieg gegen die deutschen Besatzungstruppen immer erbitterter, und die französische Regierung hoffte noch immer auf eine Intervention des Auslands. Nur wegen der Annexionsforderung wurde der Krieg bis zur völligen Erschöpfung der französischen Widerstandskraft geführt. Obwohl der preussische Generalstab militärische bzw. sicherheitspolitische Gründe für die Annexion geltend machte, wurde sie von der deutschen Nationalbewegung unter nationalen Gesichtspunkten gefordert. Bismarck unterstützte die deutsche Presse bei ihrer Agitation für eine „Rückgewinnung“ der „deutschen“ Provinzen, um sich die nationale Begeisterung zunutze zu machen und die annektierten „Reichslande“ als einigungspolitisches Motiv zu verwenden. Die Aussicht, mit dem Erwerb Elsaß-Lothringens eine dauernde Feindschaft zwischen Deutschland und Frankreich zu etablieren, schreckte ihn nicht; er hielt sie auch ohne Annexion für unvermeidbar. Aber trotz allem behielten für ihn rationale politische Ziele die höchste Priorität, und er glaubte, mit der Annexion auch einen Beitrag zur künftigen Friedenssicherung zu liefern, indem er eine künftige Offensive Frankreichs erschwerte. Moltkes Plan eines „Exterminationskrieges“ lehnte er deshalb entschieden ab. Bei seiner Durchführung wäre Frankreich als Macht völlig ausgefallen, und die übrigen Mächte hätten eine gemeinsame Koalition gegen die deutsche Hegemonialmacht gebildet.
Am 28. Januar 1871 musste Paris kapitulieren. Dem Präliminarfrieden am 25. Februar 1871 folgte der endgültige Frieden von Frankfurt (10. Mai 1871). Mittlerweile hatte sich Bismarck wieder von seiner national gefärbten antifranzösischen Haltung gelöst und versuchte, die Annexion auf das überwiegend deutschsprachige Elsaß zu begrenzen. Die Militärführung und der König bestanden aber auf der Übernahme beider Gebiete. Darüber hinaus sahen die Vereinbarungen eine Kriegsentschädigung von 5 Mrd. Francs und die Besetzung Ostfrankreichs bis zur Zahlung dieser Summe vor. Dies war psychologisch nicht nur wegen Elsaß-Lothringen ein harter Frieden, der den deutsch-französischen Gegensatz noch verstärkte. Nach der Bereinigung des seit 1856 bestehenden englisch-russischen Konflikts bildete sich dadurch in der Mitte Europas mit der deutsch-französischen Gegnerschaft eine neue politische Konstante.
Bismarcks wichtigstes Kriegsziel war jedoch nicht die Eroberung französischen Territoriums, sondern die freiwillige Annahme der norddeutschen Verfassung durch die süddeutschen Staaten gewesen, und die Öffentlichkeit im Süden reagierte ganz in seinem Sinne: Die Garantieforderung Gramonts hatte in Süddeutschland die nationale Empörung aufwallen lassen, und der gewaltige Sieg von Sedan entfachte eine nationale Begeisterung. Auch den Regierungen wurde klar, dass sich die bisherige Aufteilung Deutschlands nicht würde aufrecht erhalten lassen. Die Verhandlungen zwischen Preussen, Bayern und Württemberg in München über die zukünftige Verfassung Deutschlands (22. – 26. September 1870) endeten allerdings ergebnislos. Um Druck auf die zaudernden Bayern auszuüben, bot Bismarck am 30. September 1870 dem schon lange beitrittswilligen Baden die Aufnahme in den Norddeutschen Bund an. Baden nahm sofort an, und Württemberg folgte diesem Beispiel, worauf auch Bayern und Hessen in Verhandlungen eintraten. Am 24. Oktober waren Delegationen aller vier Staaten im preussischen Hauptquartier in Versailles versammelt. Baden war bereit und Hessen durch seine Teilung genötigt, die norddeutsche Verfassung fast ohne Vorbehalte anzunehmen, und die württembergischen Forderungen waren moderat. Allein Bayern beharrte auf einem weniger fest gefügten Bund. Obwohl die Delegation bereit war, Reich und Kaiser hinzunehmen, stellte sie eine Reihe von Bedingungen, die die Souveränität der Reichsregierung gefährdet hätten. Bismarck beschleunigte deshalb die Verhandlungen mit den anderen drei Staaten, was schließlich zum Einlenken der Bayern führte. Die Verträge über die Gründung des Deutschen Reiches als Bundesstaat konnten zwischen dem 15. und dem 25. November unterzeichnet werden. Gegenüber dem Norddeutschen Bund gewannen die Gliedstaaten durch die vermehrten Befugnisse des Bundesrats. Die süddeutschen Staaten erhielten eine Reihe von Reservatrechten auf post- und verkehrspolitischem Gebiet, in Militärfragen und bei der Zollgesetzgebung für Spirituosen. Im Gegenzug wurde das norddeutsche Regierungssystem ohne größere Änderungen übernommen, und der Süden willigte in die Einführung des Titels „Deutscher Kaiser“ ein. Dies war für Bismarck eine politische Notwendigkeit, um Einheit und Zentralismus zu beflügeln. Allerdings konnte der dynastische Stolz des preussischen Königs nur überwunden werden, wenn er die Kaiserkrone von einem Wittelsbacher, dem bayerischen König Ludwig, erhielt. Nach einigen Verhandlungen erklärte sich Ludwig Anfang Dezember bereit, Wilhelm I. zu bitten, ein deutsches Reich und die deutsche Kaiserwürde wiederherzustellen. Auch der Reichstag schloss sich diesem Wunsch an, nachdem die zur Reichsgründung notwendigen Verfassungsänderungen mit großer Mehrheit gebilligt worden waren. Am 17. Dezember stimmten die übrigen deutschen Herrscher und freien Städte zu. Nun mussten nur noch die Verträge durch die süddeutschen Parlamente ratifiziert werden. Nur in Bayern gab es Schwierigkeiten, doch am 21. Januar 1871 verabschiedete auch die bayerische Kammer die Vorlage. Bereits drei Tage zuvor wurde der preussische König Wilhelm I. im Spiegelsaal von Versailles zum deutschen Kaiser proklamiert. Bismarck war es gelungen, die autoritäre Hohenzollernherrschaft, den preussischen Militarismus und den deutschen Nationalismus zu vereinigen.