Гельмут Карл Бернгард фон Мольтке родился 26 октября 1800 г. в Пархиме, в Мекленбурге, в семье офицера датской армии Фридриха фон Мольтке (1768–1845) — свою военную карьеру отец закончил в звании генерал-лейтенанта. Род Мольтке был древним — в Мекленбурге его представители жили еще в XIII в., — но не особо богатым, и его члены испокон веков зарабатывали на жизнь тем, что нанимались на военную службу в армии различных германских государств.

Детство Мольтке провел в Дании, где в 1817 г. окончил Кадетскую академию в Копенгагене. 20 января 1818 г. он поступил на службу 2-м лейтенантом в датскую армию и был зачислен в Ольденбургский пехотный полк, расквартированный в Рендсбурге (Шлезвиг-Гольштейн). В 1822 г. он перешел на службу в прусскую армию с сохранением звания 2-го лейтенанта и был направлен в лейб-гренадерский короля Фридриха Вильгельма III полк, дислоцированный во Франкфурте-на-Одере (Бранденбург). В 1823 г. Мольтке поступил в Берлинскую военную академию, которую окончил в 1826 г., после чего вернулся в свой полк. В 1827 г. он был начальником дивизионной школы, а в следующем году зачислен в прусский Генеральный штаб, в 1833 г. он был произведен в лейтенанты и переведен в Топографическое бюро Большого Генштаба.

В 1835 г. Мольтке совершил путешествие на Восток. В Османской империи он был принят самим султаном Махмудом II, который предложил ему остаться в Турции в качестве военного советника при командовании армии. В этом качестве он совершил поездки по Черноморскому побережью, в Тауруские горы, Месопотамию. В Турции Мольтке провел более трех лет (1836–1839 гг.) и в 1838 г. принял участие в походе османских войск против курдов. В апреле-мае 1837 г. сопровождал Махмуда II в его поездке в Дунайские княжества (Молдавию и Валахию). Участвовал в 1838 г. в кампаниях против египетских войск Мехмеда Али и его сына Ибрагима-паши в Сирии. В 1839 г. Мольтке вернулся в Пруссию и был произведен в майоры. 20 апреля 1842 г. — в 41 год — он женился на своей племяннице Марии Бурт (1825 — 24 декабря 1868), которая была внебрачной дочерью его сестры Августы.

В 1846 г. он был назначен адъютантом принца Карла Генриха Прусского, которого сопровождал в поездке в Рим, где принц 12 июля 1846 г. скоропостижно скончался. В июле 1846 г. Мольтке был направлен для прохождения службы в штаб генерального командования на Рейне. В 1848 г. он возглавил отделение Большого Генштаба, а в 1849–1855 гг. — штаб IV армейского корпуса. В 1855 г. Мольтке занял пост 1-го адъютанта принца Фридриха Вильгельма (который в 1888 г. недолго занимал германский престол под именем Фридриха III), сопровождал его в поездках в Англию, Париж и Санкт-Петербург.

29 октября 1857 г. он, будучи в чине генерал-майора, был назначен «для принятия дел начальника Генерального штаба армии». Официально в должности начальника прусского Большого Генштаба Мольтке был утвержден 18 сентября 1858 г. Он был широко известен как крупный военный теоретик. В своих трудах Мольтке развивал концепцию неизбежности войны. Считал необходимым использовать все возможности страны в интересах ведения войны, прежде всего упредить противника в проведении мобилизации и развертывании армии, внезапно начать военные действия, двигаясь к одному пункту с разных направлений («врозь идти, вместе драться»), охватить противника с флангов и тем самым добиться победы в быстротечной войне.

Он превратил Большой Генштаб в основной орган подготовки Пруссии и ее вооруженных сил к войне. Мольтке был близким другом принца Вильгельма (с 1861 г. — короля Вильгельма IV, а с 1871 г. — германского императора Вильгельма I), на которого имел большое влияние, причем не только по военным вопросам, в которых он считался признанным авторитетом. При поддержке Отто фон Бисмарка Мольтке провел ряд реформ, направленных на усиление армии и активную подготовку ее к ведению наступательной войны. Он сократил сроки мобилизации и сосредоточения, увеличил численность армии, провел ее перевооружение и др. По существующей в Германии системе в случае начала военных действий общее руководство армией принимал монарх, а начальник Генштаба автоматически занимал пост начальника Полевого Генштаба, в руках которого сосредотачивалось фактическое руководство военными действиями. В этом качестве Мольтке крайне успешно провел в 1864 г. кампанию против Дании, по результатам которой Дания отказалась от своих притязаний на Лауэнбург, Шлезвиг и Гольштейн (герцогства были объявлены совместными владениями Пруссии и Австрии, причем Шлезвиг передан под управление Пруссии). В 1866 г. вместе с генералом Альбрехтом фон Рооном разработал план войны против Австрии. В ходе австро-прусской войны 1866 г. австрийская армия потерпела поражение в битве при Садовой, после чего Мольтке (вместе с другими военными) настаивал на марш-броске на Вену, что, однако, вызвало возражения Бисмарка, опасавшегося серьезных политических последствий. В результате этой войны Австрия была вынуждена уступить Пруссии пальму первенства в германских государствах. В 1866 г. произведен в генералы пехоты. В 1867–1891 гг. Мольтке являлся также депутатом Рейхстага от консерваторов, а с 1881 г. возглавлял в нем Совет старейшин в звании президента.

Венцом карьеры Мольтке стала франко-прусская война. В 1869–1870 гг. он возглавил разработку плана войны против Франции, который был успешно осуществлен прусской армией в 1870–1871 гг. Подготовленная Мольтке прусская армия имела преимущество перед противником в численности, подготовке войск, артиллерии и опыте командного состава. 4 августа 1870 г. при Виссамбурге и 6 августа при Вёрте прусские войска разгромили южную группировку французских войск маршала Патриса де Мак-Магона, а 6 августа при Форбаке нанесли поражение и северной группировке маршала Франсуа Базена. 16 августа французские войска были разбиты на участке Марс-ла-Тур — Резонвиль, а 18 августа — при Гравелоте — Сен-Прива. 1 сентября руководимая Мольтке прусская армия нанесла поражение шедшей на помощь Мецу армии Мак-Магона, заставив ее отступить в Седан и затем капитулировать (вместе с армией в плен сдался император Наполеон III). Его усилия, решившие исход всей войны, были отмечены 28 октября 1870 г., когда Гельмут Мольтке был возведен в графское достоинство королевства Пруссии.

В принципе война уже была завершена, но в начале 1871 г. все же прусские войска довершили разгром Франции и заняли Париж, где в торжественной обстановке было провозглашено создание под эгидой Пруссии Германской империи (Второго рейха) — наряду с Бисмарком Мольтке был одним из главных инициаторов этого судьбоносного события. Эти победы Мольтке были отмечены высокими наградами: 16 июня 1871 г. он был произведен в генерал-фельдмаршалы. В 1872 г. император Александр II произвел Мольтке в генерал-фельдмаршалы русской армии. Среди высших наград, который получил Мольтке: русский орден Св. Георгия 2-й степени (27 декабря 1870 г.), Большой крест Железного креста (22 марта 1871 г.), Большой крест ордена Pour le M'erite (8 марта 1879 г.).