Léon Gambetta vote les crédits militaires et approuve ainsi l’entrée en guerre de la France du Second Empire contre la Prusse du chancelier Bismarck. A l’annonce de la défaite de Sedan, il fait partie des députés républicains qui se prononcent pour la déchéance de Napoléon III, le 3 septembre 1870. Le Corps législatif s'y étant opposé, le lendemain, la foule des Parisiens envahit le Palais-Bourbon où Gambetta annonce la fin du Second Empire. Plus tard, à l'Hôtel-de-Ville et en compagnie de Jules Ferry et de Jules Favre, il proclame la République.

Un Gouvernement de Défense nationale se forme alors, dans lequel Gambetta est nommé ministre de l'Intérieur. Partisan de la guerre à outrance face à la Prusse, il quitte Paris assiégé en ballon, le 7 octobre suivant, pour rejoindre la délégation gouvernementale à Tours. Léon Gambetta s’efforce alors d’organiser la lutte, en procédant à la levée d’hommes de troupe et à des achats d’armes. Il tente ainsi de secourir la capitale et nomme le général Faidherbe à la tête de l’armée du Nord. Tours étant elle-même menacé, la délégation se replie à Bordeaux où la dictature jacobine qu’exerce Léon Gambetta est désormais contestée. A Lyon et dans le Midi de la France, la situation lui échappe au profit de la gauche révolutionnaire. Le 20 janvier 1871 enfin Paris capitule et les conservateurs, Adolphe Thiers en tête, souhaitent à présent mettre un terme au conflit. Le 28 janvier d’ailleurs, l'armistice est conclu.

Le 8 février 1871, des élections législatives sont organisées, le chancelier allemand Bismarck souhaitant traiter avec un gouvernement légitime. Léon Gambetta donne alors sa démission de l’exécutif, sa motion demandant que les anciens serviteurs de l'Empire soient inéligibles n’étant pas retenue. L’ancien ministre de l’Intérieur du Gouvernement de Défense nationale est bientôt élu député du Bas-Rhin. Quelques semaines plus tard, alors que les préliminaires de paix sont signés à Versailles, il quitte l’Assemblée parmi les députés de l’Alsace-Lorraine cédée à l’Empire allemand. Malade, Léon Gambetta se retire en Espagne, à San-Sébastian, demeurant silencieux pendant la Commune de Paris et sa répression.