Sau khi hoàng đế Pháp Napoléon I đánh tan liên quân Nga-Áo trong trận Austerlitz năm 1805, Phổ đã từ bỏ thái độ trung lập của mình và tham gia cuộc Chiến tranh Liên minh thứ ba chống Pháp (1806). Cùng với Scharnhorst, cũng là nhà cải cách quan trọng của quân đội Phổ về sau này, Gneisenau đã dự đoán bi quan và kết quả của cuộc chiến năm 1806. Trên cương vị là sĩ quan tham mưu của Vương tước Hohenlohe-Ingelfingen Friedrich Ludwig, người chỉ huy cánh quân của quân đội Phổ, ông bị thương ở chân trong trận Saafeld. Sau đó, ông tiếp tục tham chiến trong trận Jena-Auerstedt vào ngày 14 tháng 10 năm 1806, nơi quân Phổ bị thảm bại. Trong cuộc rút chạy, Gneisenau và Knesebeck được giao nhiệm vụ sửa soạn lương thảo cho binh lính trên con đường tới Stettin, và từ Stettin ông phi ngựa đến đại bản doanh của Đức vua ở Graudenz,[2][4][5] điểm tập kết của các lực lượng Phổ bại trận, rồi đến Königsberg. Tại Königsberg, Gneisenau kết bạn với Công chúa Louise và kể cho bà nghe về cái chết của anh bà, Thân vương Ludwig Ferdinand, trong trận Saalfeld, điều mà ông chứng kiến tận mắt.[5]

Trong đời, Gneisenau đã đề ra nhiều kế hoạch sâu xa để hành động. Ông đã triển khai một kế hoạch như vậy ở Königsberg, nhằm tiếp tục cuộc chiến tranh bằng một cuộc chiến dịch phối hợp của các lực lượng Phổ, Nga, Anh và Thụy Điển, giáng mạnh từ biển với sự hỗ trợ của hải quân Anh. Tuy nhiên, kế hoạch này đã không thể được thực hiện.< ref name="parkinson98"/> Vào ngày 17 tháng 12 năm 1806, ông được thăng cấp hàm Thiếu tá và cùng với tiểu đoàn của mình tham gia chiến đấu ở Litva dưới sự chỉ huy của tướng L'Estocq.

Trong bản ghi nhớ chiến dịch năm 1806, Gneisenau đã chỉ ra những sai lầm chiến thuật khiến Phổ thua trận và yêu cầu cải cách về tổ chức chiến thuật. Thực tế cho thấy rằng Scharnhorst đã tổ chức quân đội Phổ thành 14 sư đoàn dựa trên mô hình của Pháp khi cuộc chiến bùng nổ, song chính điều đó làm dấy lên một trong các vấn đề chiến thuật dẫn đến sự thất trận của Phổ, do các sĩ quan Bộ Tham mưu Hậu cần không có khả năng điều phối hoạt động của các đơn vị chiến thuật quy mô lớn này, trong khi không một chỉ huy cấp cao nào có kinh nghiệm chỉ huy các đơn vị cấp sư đoàn trong tác chiến. Và, Gneisenau đã khẳng định trong bản ghi nhớ của mình: "...chúng ta đã bắt chước những bộ phận của cơ cấu Pháp mà đáng lẽ chúng ta phải tránh, cụ thể là việc tổ chức quân đội thành các sư đoàn mà không cân nhắc rằng chúng ta không có đủ tướng lĩnh chỉ huy được các đội hình này"[3]. Đầu năm 1807, nghe sự tiến cử của tướng Ernst von Rüchel, khi ấy là Thống đốc Đông Phổ, vua Friedrich Wilhelm III của Phổ đã bổ nhiệm ông làm chỉ huy mới của các lực lượng phòng ngự pháo đài Kolberg nhỏ bé ở Pommern. Sau khi đến đây vào ngày 29 tháng 4, Gneisenau – dựa vào sự giúp đỡ của quần chúng yêu nước dưới sự lãnh đạo của thị trưởng Joachim Nettelbeck – đã tổ chức phòng thủ hiệu quả bất chất quân số áp đảo của phía Pháp. Phía Pháp đã tăng cường binh lực từ 9.000 lên 14.000 quân, song, chiến sự giữa hai nước chấm dứt vào tháng 7 trong khi người Phổ vẫn làm chủ Kolberg. Cuộc phòng ngự thành công của pháo đài Kolberg đã mang lại tiếng tăm cho Gneisenau. Chiến công của ông được nhìn nhận là một điển hình cho tinh thần dũng cảm của người Phổ, ngay cả khi nhiều pháo đài đã đầu hàng một cách nhục nhã.[5][6][7] Gneiseau được tặng thưởng huân chương Thập tự Xanh cao quý nhất của quân đội Phổ và được thăng cấp hàm Thượng tá.[2]

Giờ đây Gneisenau có rất nhiều việc để làm. Ông giữ nhiệm vụ cầm đầu toán công binh Phổ; không những thế, ông còn là một thành viên trong Ủy ban Cải tổ, và cùng với tướng Scharnhorst đóng vai trò không nhỏ trong công cuộc xây dựng lại Quân đội Phổ. Các vị tướng này, được giáo dục tốt và ảnh hưởng từ chủ nghĩa tự do, không những mong ước một ngày Quân đội của Nhân dân Phổ sẽ giải phóng đất nước, mà còn nhận thấy Triều đình Phổ rất cần thực hiện những cải cách xã hội tiến bộ.[4] Đến năm 1809, vị Đại tá vẫn làm việc năng nổ; quân Pháp nghi ngờ các quan Triều đình Phổ có ý định Tổng khởi nghĩa, và quan đại thần Stein từ chức vào thág 1809 rồi August Neidhardt von Gneisenau cũng rút lui. Tuy nhiên, sau chuyến thăm Đế quốc Nga, Đế quốc Anh và Vương quốc Thụy Điển, ông trở về kinh đô Berlin, tiếp tục là vị quan lãnh đạo của phái yêu nước trong chính phủ nước Phổ. Nhờ có những cuộc cải cách của những vị quan cận thần tiến bộ của nước Phổ, Vương quốc Phổ đã hùng mạnh trở lại, và lãnh đạo toàn dân Đức trong Những cuộc chiến tranh Giải phóng chống Pháp vào năm 1813. Trong thời gian này, nhân dân Đức cũng được truyền cảm bởi bài ca về Tổ quốc Đức lừng danh của Arndt, và bởi lòng yêu nước mãnh liệt của Von Stein. Trong "trận đánh của các dân tộc", tức trận Leipzig kéo dài từ ngày 16 tháng 10 cho đến ngày 19 tháng 10 năm 1813, liên quân Phổ - Nga - Áo đập tan tác quân Pháp, và đẩy lùi quân Pháp về kinh thành Paris.[8]

Trong cả những hoạt động quân sự công khai lẫn những lần bí mật bày mưu lập kế, ông đều thể hiện sự năng nổ và lòng yêu nước; và, khi Những cuộc chiến tranh Giải phóng bùng nổ, viên Sĩ quan Gneisenau trở thành chủ nhiệm Tổng cục hậu cần của tướng Blücher. Từ đó, mở đầu mối quan hệ giữa hai người chiến binh, và đem lại cho lịch sử quân sự một trong những tấm gương sáng giá nhất về sự hợp tác thân thiết giữa một vị Thống soái và một viên Sĩ quan tham mưu. Với Blücher, Gneisenau tham chiến trong cuộc tiến công Paris; tư cách thống lĩnh của ông đã hoàn toàn bù đắp những khuyết điểm của Blücher, và với những vị tướng tài ba như thế, lực lượng Quân đội Phổ với những binh lính non trẻ, tuy không ít lần bị đánh bại những vẫn chiến đấu anh dũng, do đó, họ đã tiến vào sào huyệt của Pháp. Dự định về cuộc hành quân đánh kinh thành Paris - một dự định đã trực tiếp dẫn đến sự mất ngôi của Hoàng đế Napoléon - hoàn toàn là một công trạng của viên Sĩ quan tham mưu Gneisenau naỳ. Để ghi công cho công lao hiển hách của ông, vào năm 1814, Gneisenau, cùng với Yorck, Kleist và Bülow—đều trở thành Bá tước; trong khi đó, Blücher trở thành Vương công xứ Wahlstatt. Gneisenau được vua Phổ tặng cho trang trại Sommerschenburg bây giờ thuộc bang Sachsen-Anhalt (Bördekreis)[9].

Vào năm 1815, ông một lần nữa cộng tác với Blücher, và tham chiến rất tích cực trong trận đánh tại Waterloo. Những vị tướng soái cấp cao hơn như Ludwig Yorck von Wartenburg hay Friedrich Graf Kleist von Nollendorf đều được dự trữ, và Gneisenau sẽ trở thành Tổng tư lệnh Quân đội Phổ nều cần thiết; và, trong trận đánh tại Ligny, vị Thống chế già Blücher thua trận, và Gneisenau trở thành Tổng tư lệnh của Quân đội Phổ. Ông tập hợp lại ba quân, kéo quân về Wavre, và từ đây, một cánh quân Phổ hành quân tới để liên quân với Arthur Wellesley, Công tước thứ nhất của Wellington để tham chiến trong trận Waterloo vào ngày 18 tháng 6 năm 1815; trong cuộc chiến này, một cuộc tấn công vô sườn của Quân đội Phổ đã quyết định trận đánh trứ danh tại Waterloo. Quân Pháp thất bại thảm hại.[8][10]

Trên chiến trường Waterloo, Gneisenau tiến hành truy kích, đạt được thành quả là tóm gọn được xe ngựa của Hoàng đế Napoléon Bonaparte. Trong những ngày sau chiến thắng tại Waterloo, Gneisenau nhìn thấy Quân đội Phổ đã thẳng tiến vào Paris trước khi Công tước thứ nhất của Wellington và Quân đội Anh kéo đến. Sau chiến thắng oanh liệt tại Waterloo, Quân đội Phổ tiếp tục đánh tan tác quân Pháp trong trận Issy vào ngày 3 tháng 7 năm 1815, đập tan tác mọi ý định bảo vệ kinh đô Paris của Pháp.[11][12], ông tiếp tục được thăng chức và được nhận Huy chương Đại Bàng Đen.