Od 1864 roku służył w garnizonie w Belforcie, w tym samym roku otrzymał stopień majora (). Trzy miesiące po wybuchu wojny francusko-pruskiej, 7 października 1870 roku został awansowany na podpułkownika (), a 29 października – pułkownika (), jednocześnie mianowany dowódcą , o dużym znaczeniu strategicznym ze względu na jej położenie w Bramie Burgundzkiej. Denfert-Rochereau kierował obroną twierdzy i miasta podczas trwającego 103 dni przez dużo liczniejsze wojska pruskie. Obrońcy złożyli broń 13 lutego 1871 roku na polecenie rządu francuskiego, po podpisaniu przezeń dwa tygodnie wcześniej rozejmu. Ich opór miał charakter heroiczny w kontekście serii klęsk poniesionych przez wojska francuskie, m.in. pod Sedanem i Metzem i pozwolił stronie francuskiej na wynegocjowanie zachowania miasta Belfort i okolic (Territoire de Belfort) w granicach Francji, podczas gdy pozostała część Alzacji została odstąpiona Niemcom. Sam Denfert-Rochereau zyskał przydomek „lwa Belfortu” (). Tę samą nazwę otrzymała odsłonięta w 1880 roku monumentalna rzeźba upamiętniająca obrońców.