У 1822 році перейшов на прусську службу. У 1826 році закінчив Берлінську військову академію, в 1828 році зарахований до прусського Генеральному штабу. У 1833 році — переведений в Генеральний штаб, працював в його топографічному бюро.
Османська кампанія
Мольтке вже бував на півдні Німеччини та північної Італії, а в 1835 році, після отримання рангу капітана, мав шестимісячний від'їзд у південно-східну Європу. Після короткого перебування в Константинополі султан Махмуд II попросив його модернізувати армію Османської імперії. Отримавши дозвіл у Берліні, він прийняв пропозицію. Він провів два роки в Константинополі, навчав турецьку армію. Він мав багато подорожей по обидві сторони Босфору, також відвідував Валахію, Болгарію та Румелію.
У 1838 році Мольтке був направлений як радник генерал-полковника Османської імперії в Анатолію, який повинен був вести похід проти Мухаммеда Алі. За ці роки Мольтке здійснив великі розвідки земель Османської імперії, об'їздив кілька тисяч кілометрів під час подорожі (Таврські гори, пустелі Месопотамії), також плавав по Євфрату, він створив багато карт цих країв. У 1838 році взяв участь у кампанії проти курдів.
У 1839 році війська вирушили на південь, щоб боротися з єгиптянами, але перед прибуттям ворога генерал відмовився слухати пораду Мольтке. Консультант пішов у відставку з посади офіцера і взяв на себе командування артилерією. У битві під Незібом (сучасний Нісібіс) 24 червня1839 року османська армія була розгромлена, але команда Мольтке була останньою, яка відступила з поля битви. Мольтке повернувся до Константинополя. Султан Махмуд II помер, тому Мольтке повернувся до Берліну у грудні 1839 року.
Після повернення додому Мольтке опублікував Листи про умови і події в Туреччині в період з 1835 до 1839. Книга була добре сприйнята. Одна з його сестер вийшла заміж за англійського вдівця Яна Хайлігера Берта, який оселився в Гольштейні. У 1841 році Мольтке одружився з молодою шістнадцятирічною донькою Яна Берта від колишнього шлюбу Марією Бурт (Мольтке був майором у день весілля). Це були щасливі стосунки, хоча у них не було дітей. Листи до дружини є одним із найцінніших джерел для його біографії.
Служба в Німеччині
У 1855 році повернувся до Пруссії, став першим ад'ютантом кронпринца Фрідріха-Вільгельма, у 1858 році призначений начальником прусського (з 1871 — німецького) Генерального штабу.
У 1866 році спільно з генералом Альбрехтом фон Рооном розробив план кампанії блискавичної війни проти Австрії. Завдяки цьому плану прусська армія провела швидку мобілізацію, внаслідок чого австрійська армія зазнала ряд поразок у Богемії та Моравії.
У 1866-1870 роках займався розробкою плану війни з Францією. У 1870 році очолив штаб Вільгельма у війні з Францією: фактично Мольтке був командувачем військами німецьких держав, які воювали з Францією. Керував переможною для німців битвою при Седані, внаслідок якої в полон здався імператор ФранціїНаполеон ІІІ і 110 000 французьких солдатів. Восени-взимку 1870 року керував облогою Парижа. Брав участь у підготовці проголошення Німецької імперії в січні 1871 року й умов мирного договору з Францією.
Мольтке був прихильником строгої дисципліни, точності виконання всього, що становило програму виховання і освіти війська. Він засновував всю мирну підготовку на суворому розрахунку, передбачливості, що доходила до дрібниць, на усунення можливих випадковостей. Він запозичив зразки у великих полководців, але водночас він категорично висловлювався, що досвідом колишніх воєн можна користуватися лише остільки, оскільки вони відповідають умовам сучасності. Невпинно культивував серед підлеглих ідею, що перший бій є іспит усіх міркувань і розрахунків, і не витримати цей іспит — значить провалити всі ці міркування, а разом з тим і довести неспроможність вищого персоналу армії.
У прагненні досягти більшої готовності армії він спростив перехід армії з мирного на воєнний стан скороченням потрібного на це часу (територіальна система укомплектування). Саме акуратне постачання кожної військової частини всієї необхідної для воєнного часу матеріальної частини, найретельнішим чином розрахована військово-кінська і військово-підводна повинність і, нарешті, педантичний по годинах розрахунок всіх військових мобілізаційних робіт — ось чого домагався і домігся Мольтке. Але, якщо в зазначеному вище дещо і було зроблено до призначення його начальником генерального штабу, то в питанні про зосередження армії йому довелося створювати все знову. Розуміючи, що домогтися точності в перевезеннях мобілізованих військ можна тільки тоді, коли залізниці будуть в руках уряду, Мольтке домігся не тільки викупу всіх залізниць в казну, а й того, що в прокладанні нових ліній домінуючою умовою повинен бути задум війни; він не допускав прокладки ліній комерційного значення раніше доріг стратегічного значення. Досягнувши цього, він спрямував роботу генерального штабу до складання планів перевезень по корпусах, і домігся того, що згодом мав повне право сказати по оголошенні війни Франції: «я можу, нарешті, відпочити».
Написав кілька книг з військового мистецтва і військової історії, найбільш значущі з яких «Військові повчання» і «Історія франко-німецької війни 1870—1871 рр.».
Поряд із К. Клаузевіцом і А. Шліффеном є найбільшим військовим теоретиком XIX століття, основоположником німецької військової думки. Військові кампанії, проведені Гельмутом Мольтке, були покладені в основу «Плану Шліффена».
Gedenkblatt für das deutsche Volk. Generalfeldmarschall Graf Helmuth von Moltke (1891)
Fedor von Köppen: Graf Helmuth von Moltke. Ein Lebensbild für Jung und alt (1895)
Max Jähns: Feldmarschall Moltke, 1894
Oskar Höcker: Aus Helmut von Moltkes Leben, 1883
Wilhelm Bigge: Feldmarschall Graf Moltke, ein militärisches Lebensbild, 1901
Wilhelm Mueller: Generalfeldmarschall Graf Moltke, 1889
Wagner, Reinhold Moltke und Mühlbach zusammen unter dem Halbmonde 1837—1839. (1893)
Von Schlichting Moltkes Vermächtniß (1901)
Walter Jost: Helmuth von Moltke, in: Willy Andreas / Wilhelm von Scholz (Hg.): Die Großen Deutschen. Neue Deutsche Biographie, Propyläen Verlag, Berlin, 4 Bde. 1935—1937, 1 Ergänzungsbd. 1943; Dritter Band, S. 407—423
Herbert Günther: Das eherne Maß: Helmuth von Moltke, in: Ernst Adolf Dreyer / Heinz W. Siska (Hg.): Kämpfer, Künder, Tatzeugen. Gestalter deutscher Größe. 3 Bde., Zinnen-Verlag, München–Wien–Leipzig 1942, Bd. I, S. 253—275
Gerhard von Pelet-Narbonne (Hg.): Erzieher des Preussischen Heeres, 1905—1907 Band 10: Moltke