Одним из важных следствий австро-прусской войны было образование северогерманского союза, в который наряду с Пруссией входило ещё около 30 государств. Все они, согласно конституции, принятой в 1867 году, образовали единую территорию с общими для всех законами и учреждениями. Внешняя и военная политика союза была фактически передана в руки прусского короля, который был объявлен его президентом. С южногерманскими государствами вскоре был заключён таможенный и военный договор. Эти шаги ясно показывали, что Германия быстро идёт к своему объединению под главенством Пруссии. Французский император Наполеон III более других был встревожен образованием у границ его государства могущественной военной империи. Французские и прусские интересы то и дело сталкивались по разным вопросам. Однако окончательный разрыв наступил в июле 1870 года в связи с испанскими делами. Узнав, что король Вильгельм разрешил князю Леопольду Гогенцоллерну занять испанский престол (о чём его просили испанские кортесы), Наполеон резко потребовал у прусского правительства отзыва кандидатуры своего принца. Вильгельм, который вовсе не хотел тогда войны, посоветовал Леопольду отказаться от предложения кортесов. Наполеон не удовлетворился этим и резко потребовал от Вильгельма дать обязательства «и в будущем не допускать кандидатуры Гогенцоллерна». Эта нота показалась старому королю (да и всем пруссакам) крайне оскорбительной. Сам Вильгельм гордо игнорировал дерзость императора, но Бисмарк дал от его имени желчный и едкий отказ. Раздосадованный Наполеон объявил Пруссии войну. Это было большой ошибкой с его стороны, так как перед лицом всей Европы французы оказались в роли нападавшей и неправой стороны. Немецкая нация была охвачена небывалым патриотическим подъёмом. Последние препятствия, мешавшие объединению Германии, пали в эти дни под напором неистового национального воодушевления. Государи не только Северного, но и Южного союзов объявили себя на стороне Пруссии.
Преклонные годы не помешали Вильгельму принять личное участие в наступлении своей армии. Успех прусаков и на этот раз превзошёл все ожидания. Одна победа следовала за другой, и ровно через месяц после начала военных действий значительная часть французской армии была точно железным кольцом окружена немецкими войсками под Седаном и капитулировала. Сам Наполеон сдался Вильгельму в плен. К чести прусского короля, он при виде поверженного врага не испытал злорадных чувств, а выразил только сострадание к нему, как к человеку, испытавшему жестокую превратность судьбы. Вильгельм писал жене: «Я не могу передать, что я перечувствовал, припоминая, как три года назад я видел императора на вершине его могущества». Но с падением империи не закончилась война. Французы, охваченные патриотизмом, героически защищали свою землю, однако не могли уже переломить хода событий. Прусская армия быстро подступила к Парижу и начала осаду французской столицы. В октябре капитулировал Мец. Между тем Вильгельм завёл переговоры с южногерманскими государями об их вступлении в Северный союз. В ноябре переговоры были приведены в Версале к желанному концу. Северный союз перестал существовать, уступив место единому германскому союзу. В декабре баварский король предложил восстановить Немецкую империю и немецкое императорское достоинство, уничтоженные в своё время Наполеоном. Предложение это было тотчас принято, и рейхстаг обратился к Вильгельму с просьбой принять императорскую корону. 18 января 1871 года все немецкие князья собрались в зеркальной галерее Версаля и здесь Вильгельм был провозглашён германским императором. Вскоре после этого Париж капитулировал и начались мирные переговоры. 2 марта был заключён Парижский договор — тяжёлый и унизительный для Франции. Приграничные территории Эльзас и Лотарингия отошли к Германии. Побеждённые должны были уплатить 5 миллиардов франков контрибуции. Это был звёздный час для императора Вильгельма. Он возвратился в Берлин как триумфатор, сопровождаемый повсеместными изъявлениями восторга и любви, какие очень редко выпадали на долю какого-либо государя.