Поначалу международная обстановка благоприятствовала итальянским планам Наполеона III: французской дипломатии удалось добиться нейтралитета России; Англия не могла оказать активного противодействия Франции, так как у нее были связаны руки восстанием сипаев в Индии; Пруссия была врагом Австрии. Все это не только существенно облегчало задачу Наполеону III, но и давало ему свободу действий.
20 июля 1858 г. Наполеон подписал соглашение в Пломбьере с премьер-министром Сардинского королевства, графом Камилло Бенсо ди Кавуром. По условиям соглашения, Франция обязывалась освободить от австрийцев Ломбардию и Венецианскую область, за что должна была получить Савойю и Ниццу, принадлежавшие Сардинии. В апреле 1859 года Австрия объявила Сардинскому королевству войну. Франция немедленно заявила, что она не оставит в беде своего союзника. 29 апреля австрийские войска перешли реку Тичино, в то самое время, как французские войска уже переходили через Альпы. Через несколько дней французам удалось вытеснить австрийцев из Пьемонта.
Первое крупное сражение произошло 20 мая 1859 года у Монтебелло. В нем участвовали 15 000 австрийцев под командованием генерала Стадиона. Со стороны франко-сардинской коалиции участвовало 8000 французов под командованием генерала Форе. Вначале австрийцы перехватили инициативу, но к месту боя вовремя подошли сардинские войска. После упорного боя австрийцы были вынуждены отойти назад к Кастеджо, потеряв 1300 человек убитыми и ранеными. Также 200 австрийцев попали в плен. Потери французов составили 723 человека убитыми и ранеными. 26 мая произошла Варезская битва. В ней 4000 австрийцев не могли сломить сопротивление 3000 сардинцев. Итальянскими войсками командовал знаменитый итальянский революционер Джузеппе Гарибальди. Под его предводительством итальянцы одержали решительную победу. 30 мая произошла битва при Палестро. В этой битве франко-сардинская армия наголову разбила австрийцев. Потери австрийцев были велики — 2500 убитых и раненых. Потери союзников составили 900 убитых и раненых.
После победы французов при Монтебелло и Палестро австрийцы были вынуждены отступить за Тичино.
4 июня 1859 г. состоялась одна из самых крупных битв этой войны — битва при Мадженте. К июню французы, как и австрийцы, успели подтянуть к полям Италии свои основные силы. Теперь битвы австро-итало-французской войны переросли из мелких стычек в полномасштабные баталии. Австрийский главнокомандующий Дьюлаи располагал 113 000 солдат, но в бой ввел только 58 000 при 152 орудиях (главный австрийский корпус). Главный французский корпус насчитывал 59 100 солдат при 91 орудии. Командовал им Мак-Магон. Мак-Магон переправился через р. Тичино, атаковал австрийские позиции и после ожесточенного боя изгнал австрийцев из Мадженты, нанеся им решительное поражение. В бою австрийцы потеряли 1368 убитых, 4358 раненых и 3987 без вести пропавших или пленных солдат. Потери французов составили 675 убитых, 3229 раненых и 546 без вести пропавших или взятых в плен солдат.
24 июня состоялось последнее и самое крупное сражение этой войны. Битва при Сольферино обернулась кошмаром для австрийской армии. В битве участвовало почти четверть миллиона солдат. Австрийцы, под предводительством своего императора Франца Иосифа, потерпели сокрушительное поражение, потеряв 18 % всего своего войска. Австрийские войска, отступая после битвы, покинули Ломбардию.
Удача как будто сопутствовала Наполеону. Однако размах национально-освободительного движения в Италии, грозившего перейти в революцию, испугал его. Кроме того, внутреннее положение Франции также внушало императору серьезное беспокойство. Донесения, которые он получал на фронте из Франции, гласили, что в стране обстановка тревожная: рабочее и республиканское движение разрастается, и, кроме того, большое опасение вызывает деятельность католического духовенства, которое настраивает население против императора за то, что тот действует в стане врагов Папы. Тогда Наполеон решил, что единственное средство спасти положение — заключить выгодный мир. У него были и другие причины прекратить войну. Во-первых, император Франции боялся, что за Австрию вступятся немецкие государства. Во-вторых, почти все тяготы войны несли на себе французские войска. В-третьих, для Франции объединение Сардинского королевства с другими итальянскими государствами означало вывод французских войск из Рима, что шло вразрез с интересами Франции.
За спиной Сардинии Наполеон III предложил побежденной Австрии мир. 11 июля 1859 г. в Вилла-Франко между Францией и Австрией было подписано соглашение, в силу которого Австрия отказалась от Ломбардии в пользу Франции, позже передавшей эту территорию Сардинии (Пьемонту), но сохранила за собой Венецианскую область. В дальнейшем, по условию договора, эта область должна была войти в Итальянскую конфедерацию, которую предполагалось поставить под почетное главенство Папы. Проект создания Итальянской конфедерации под главенством Папы противоречил лозунгу итальянских патриотов об объединении Италии вокруг Пьемонта.
Реакция на предательское Вилла-Франкское соглашение была ошеломляющей. Во Франции итальянская политика императора восстановила против него все слои общества: народные массы не могли простить Наполеону его предательства национально-освободительного движения итальянского народа, мелкобуржуазные демократы и буржуазные республиканцы тоже критиковали императора. Часть торгово-промышленной буржуазии, связанная с Сардинией торговыми отношениями, была недовольна тем, что теперь эти связи прерваны. Так как объединение Италии к тому времени было уже почти свершившимся фактом, Наполеон III, надеясь спасти остатки своего престижа в Европе и поправить свое пошатнувшееся положение во Франции, решил сделать еще один дипломатический «поворот». Он написал Папе Пию IX почтительное письмо, в котором предлагал признать присоединение итальянских государств к Пьемонту. Это было воспринято как новый вызов католической церкви. Папа ответил на него публичным преданием Наполеона III анафеме. Тогда император решил вновь начать переговоры с Кавуром. Он заявил, что не будет препятствовать делу объединения Италии, если Кавур согласится на формальное закрепление за Францией Ниццы и Савойи. Трудное положение, в котором оказались итальянские войска после того, как французы вышли из войны, заставило Кавура согласиться на предложенный французским императором договор. 23 января 1860 г. в Турине был подписан франко-сардинский договор об уступке Франции Ниццы и Савойи. В результате Франция получила приращение национальной территории вместе с 670 тыс. жителей, объявленных французами. После победоносной Крымской войны это был второй крупный успех Наполеона III, укрепивший его позиции внутри страны и поднявший международный престиж Франции.
В 1860 г. австрийский император Франц Иосиф решил взять реванш за поражение в 1859 году. Против Сардинии была мобилизована австрийская армия, которая лишь только ждала приказа к началу боевых действий. Но Сардинию спасла Россия. Александр Горчаков, канцлер Российской империи, организовал свидание трех монархов (русского, австрийского и прусского) в Варшаве 22 октября 1860 года. Александр II пригрозил Францу Иосифу, что не допустит усиления Австрии за счет Сардинского королевства. Что касается Наполеона III, то теперь он тщетно пытался остановить процесс объединения Италии. В 1859–1860 гг. Джузеппе Гарибальди сверг с престолов правителей Тосканы, Пармы и Модены. Эти итальянские государства вскоре объединились с Сардинией.