W 1848 roku, po powrocie do Berlina, został szefem sztabu 4. Korpusu Armii. Jego siedziba znajdowała się wówczas w Magdeburgu, gdzie Moltke przeniósł się na siedem lat, podczas których doszedł do stopnia podpułkownika (1850) i pułkownika (1851).
W 1855 roku Moltke pracował jako osobisty doradca księcia Fryderyka (późniejszego cesarza Fryderyka III). Towarzyszył księciu w Anglii (na jego ślubie), a także w Paryżu i w Petersburgu podczas koronacji Aleksandra II. Książę Fryderyk był dowódcą pułku stacjonującego we Wrocławiu, gdzie Moltke przebywał przez rok i awansował na stopień majora-generała w 1856. 23 października 1857 roku, ze względu na ciężką chorobę króla, książę Fryderyk został regentem. Sześć dni później regent wybrał Moltkego na stanowisko szefa sztabu generalnego armii.
Szef Pruskiego Sztabu Generalnego (Wielkiego Sztabu Generalnego) Stanowisko szefa sztabu Moltke piastował przez 30 lat. Po powstaniu Cesarstwa Niemieckiego, nazwa Pruskiego Sztabu Generalnego została zmieniona na Wielki Sztab Generalny. Po objęciu stanowiska rozpoczął wprowadzanie zmian strategicznych i taktycznych metod armii pruskiej: w uzbrojeniu, w wykorzystaniu środków komunikacji, w kształceniu oficerów oraz w sposobie mobilizacji armii.