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色当的惨败立即引发连锁反应，1870年9月4日，法国掌握金融经济的大资产阶级趁机于法国国内发动政变，推翻法兰西第二帝国，成立法兰西第三共和国，组成以路易·朱尔·特罗胥将军为首的“国防政府”。至此，德意志民族统一的障碍已消除，但普鲁士当局决心将战争继续下去，派兵向巴黎进军。从此，普鲁士的自卫战争已转变为侵略战争。
对法国来说，普法战争到第二阶段已转变为进步的民族解放战争。人民要求实行普遍武装。国防政府企图与敌人勾结，阻止革命运动继续发展，并已着手同俾斯麦举行秘密谈判，此时慑于人民的压力，虽然拖了很久但被迫采取措施以加强巴黎的防务。德军向法国首都推进时如入无人之境，1870年9月19日即将巴黎团团围困。
1870年9月23日，普军占领图勒，1870年9月27日，斯特拉斯堡守军投降。全靠人民的爱国热情，法国才得以建立了一支庞大的军队（包括国民自卫军、自由射手和巴黎及其它要塞守军在内共约一百万人，其中巴黎有40万军队），这给普军指挥部带来了极大困难。所有普军被牵制在各要塞，继续围攻梅斯和巴黎。集结于图勒和布尔歇两地的法卢瓦尔集团军准备前去为巴黎解围。
此时，法军莱茵集团军司令巴赞元帅却同敌人进行秘密谈判，这一叛变行为对共和制法国是个打击。结果，法国最精锐的一个集团军（17万人）在被围梅斯72天后，于1870年10月27日不战而降。
普军将由此而腾出的两个集团军压向法国卢瓦尔集团军和北方集团军，两个集团军均被普军主力部队所击败。由于巴赞投降，法国政府又无意组织防御和同敌人进行秘密停战谈判，人民饥困交加，巴黎人民遂于10月31日举行起义，但遭到镇压，1870年11月7日，卢瓦尔集团军发起进攻，1870年11月9日，在库尔姆附近击溃敌巴伐利亚第2军，占领奥尔良，但12月4日遭到普军反击，被迫退出奥尔良。
1871年1月，法北方集团军在圣康坦附近失利，东方集团军又在贝尔福附近遭到失败。法国战事每况愈下，处境艰危。
1870年12月27日起，普军使用502门重炮对巴黎实施轰击。巴黎守军被困4个月之久。在此期间，他们利用气球（先后有65个气球载164人飞出巴黎，包括坚决主抗抗战的甘必大）和信鸽与各野战集团军保持联系。
1871年1月22日，巴黎居民再次举行起义。法国政府镇压起义后，同普军指挥部进行了最后的谈判，于1月26日签订关于巴黎投降的条约，1月28日又签订了停战协定。巴黎要塞大部分炮台连同火炮和弹药移交给了德军，赔款2亿法郎。2月26日，草签凡尔赛和约。在国民议会批准和约草案之前，德国人获得了将军队开进巴黎的权利，这些军队到3月3日和约批准后才撤出巴黎。3月18日，巴黎人民起义成功，巴黎公社（1871）宣告成立，这个公社一直存在到5月28日。5月10日，德法两国签订法兰克福和约（1871），确认凡尔赛和约草案的基本条款，但条件更为苛刻，赔款从2亿法郎增加到50亿法郎，还要割让阿尔萨斯-洛林的大部分地区。
普法战争后，普鲁士打败法国，从而排除了法国对普鲁士统一的干扰。1870年11月，代表北德意志联邦的俾斯麦与南德四国政府缔结联合的和约，南德四国与北德意志联邦合并，成立“德意志帝国”。1871年1月18日，普鲁士国王威廉一世在法国凡尔赛宫正式即位为德意志帝国皇帝，德意志统一最终完成。