Außer durch politische Gegensätze war die in Tilsit geschlossene Allianz durch die konkreten Umstände ihrer Entstehung belastet. Der Kriegsverlierer Alexander musste im Sommer 1807 aus einer Position der Schwäche heraus verhandeln. Es kam aufgrund dieser Ausgangskonstellation zu keinem auf beiden Seiten gleichermaßen akzeptierten Ausgleich der Interessen. Der militärische Sieger Napoleon setzte vielmehr eine französische Suprematie im Bündnis voraus. Er versuchte in den Jahren nach 1807 wiederholt, diese Vorrangstellung zur Geltung zu bringen und Russland zum Erfüllungsgehilfen seiner Politik zu machen. Nicht nur politisch, sondern auch persönlich betrachtete der Empereur seinen Bündnispartner Alexander als nicht ebenbürtig. Diese Einschätzung war deshalb äußerst problematisch, weil sich die realen Machtverhältnisse nach 1807 zugunsten Russlands verschoben.
Die zahlreichen Konfliktherde in der imperialen Allianz zwischen Frankreich und Russland wurden in den Jahren nach 1807 sukzessive virulent. Das Bündnis war einem Erosionsprozess ausgesetzt, der sich über Jahre hinzog und der schließlich in offene Feindschaft einmündete. Die französisch-russischen Beziehungen zwischen 1807 und dem Ausbruch des Krieges im Frühjahr 1812 lassen sich in drei Phasen untergliedern. In den Jahren 1807 bis 1809 kooperierten die beiden Imperien, wenngleich die Schwierigkeiten im Bündnis bereits unübersehbar waren. Napoleon ordnete auf der Grundlage der Tilsiter Verträge den mitteleuropäischen Raum neu. Alexander führte siegreich Krieg gegen Schweden und gliederte anschließend Finnland in sein Imperium ein. Ein ernster Konflikt entspann sich jedoch aufgrund der französischen Kompensationsforderungen für die von Alexander geplante Annexion der osmanischen Provinzen Moldau und Walachei. Bei einem glanzvollen Treffen zwischen Napoleon und Alexander in Erfurt im September und Oktober 1808 war der Vertrauensbruch im Bündnis bereits offenkundig. In den Jahren 1809/10 kam es zum Bruch der Allianz. Hierfür waren mehrere Entwicklungen verantwortlich, die sich wechselseitig bedingten. Russland unterstützte Frankreich im Krieg gegen Österreich nur symbolisch, konspirierte unter der Hand sogar mit dem Gegner Napoleons. Der französische Kaiser reagierte, in dem er seinem Bündnispartner im Frieden von Schönbrunn nur einen kleinen Teil der von der Habsburgermonarchie abgetrennten galizischen Gebiete zusprach. Hingegen wurde das unter französischem Einfluss stehende, von Russland stets kritisch beäugte Herzogtum Warschau großzügig bedacht. Diese Ereignisse trugen wiederum dazu bei, dass Alexander das Ansinnen Napoleons zurückwies, die russische Großfürstin Anna zu ehelichen. Der französische Kaiser heiratete daraufhin die österreichische Erzherzogin Marie-Louise. Obwohl die französisch-russische Allianz durch die geschilderten Ereignisse Anfang 1810 weitgehend ausgehöhlt war, bestand das Tilsiter Bündnis formal bis 1812 weiter. In den letzten beiden Jahren vor Kriegsbeginn war das Verhältnis zwischen Frankreich und Russland durch zahlreiche konkrete politische Probleme massiv belastet. Dissens bestand vor allem über die Balkanpolitik Napoleons nach dem Frieden von Schönbrunn, die Wahl des französischen Marschalls Jean-Baptiste Bernadotte zum Kronprinzen von Schweden (Mai 1810), die zukünftige Rolle des Herzogtums Warschau sowie die faktische Wiederaufnahme des Handels mit Großbritannien durch Russland (31. Dezember 1810). Für erhebliche Verstimmung sorgte zudem die Annexion des Herzogtums Oldenburg durch Frankreich Anfang 1811. Durch die Ausweitung des Empire nach Norddeutschland verlor der Ehemann Großfürstin Katharinas, Herzog Peter von Oldenburg, seine Besitzungen; er emigrierte nach Russland.
Die zunehmende Entfremdung der Bündnispartner von Tilsit bewirkte, dass ein französisch-russischer Krieg sowohl in Paris als auch in Sankt Petersburg zunehmend als unausweichlich angesehen wurde. Die Jahre 1810 bis 1812 standen bereits im Zeichen der Kriegsplanung und Rüstung der nominell noch verbündeten Imperien. 1811 geriet Europa erstmals an den Rand des Krieges, als Alexander einen Präventivschlag gegen das Herzogtum Warschau erwog. Der militärische Konflikt brach schließlich ein Jahr später aus: Napoleon marschierte ab Juni 1812 an der Spitze einer etwa 600.000 Mann starken, von Soldaten aus weiten Teilen Europas gebildeten Grande Armée in Russland ein. Der damit ausgelöste Krieg sollte bis zum Frühjahr 1814 dauern.
Der Verlauf des Feldzugs von 1812 war zunächst maßgeblich dadurch gekennzeichnet, dass die Armee Alexanders einer offenen Feldschlacht auswich und sich ins Innere des Zarenreiches zurückzog. Die französischen Streitkräfte hatten in den Sommermonaten aufgrund von ungünstiger Witterung, Versorgungsschwierigkeiten und dadurch bedingten Krankheiten hohe Verluste zu verzeichnen. Napoleon setzte dem zurückweichenden russischen Heer nach und errang schließlich in den Schlachten bei Smolensk (17./18. August) und Borodino (7. September) militärische Siege. Diese Erfolge vermochten den Krieg jedoch nicht zu entscheiden. Nach dem Eintreffen der bereits erheblich dezimierten Grande Armée in Moskau Mitte September ging die ehemalige Hauptstadt des Zarenreiches — wohl vor allem durch russische Brandstiftung — in Flammen auf; ihre Gebäudesubstanz wurde zu etwa 70 Prozent zerstört. Da Friedensverhandlungen Napoleons mit Alexander scheiterten und Moskau nicht gehalten werden konnte, trat die französische Armee am 19. Oktober den Rückzug an. Dieser geriet zur Katastrophe: Nahrungsmittelmangel, der Einbruch des Winters Anfang November, Krankheiten und Erschöpfung sowie Angriffe durch Teilverbände des russischen Heeres führten zu einem kontinuierlichen Verlust an Kampfkraft und schließlich zur weitgehenden Auflösung der französischen Formationen. Die besetzten Gebiete in Russland mussten sukzessive preisgegeben werden. In Weißrussland drohte vor dem Übergang über die Beresina zeitweilig sogar eine Einkesselung und völlige Vernichtung der verbliebenen Truppenkörper. Diese konnte zwar vermieden werden, doch erreichten ab Mitte Dezember nur schwache französische Verbände die Sammelplätze in Ostpreußen und im Herzogtum Warschau. Die Bilanz des ersten Kriegsjahres war für Frankreich desaströs: Von den 550.000 bis 600.000 Soldaten des napoleonischen Heeres, die in dem halben Jahr von Juni bis Dezember 1812 jenseits des Niemen eingesetzt gewesen waren, hatten etwa 400.000 entweder den Tod gefunden oder waren in Kriegsgefangenschaft geraten. Der Blutzoll, den das siegreiche Zarenreich Alexanders im ersten Kriegsjahr entrichtete, war ähnlich hoch: Auf der russischen Seite ist ebenfalls von etwa 400.000 toten Soldaten und Milizionären auszugehen. Hinzu kam die Verwüstung weiter Landstriche, die zum Durchzugsgebiet der feindlichen Armeen geworden waren.
Im zweiten Kriegsjahr 1813 wurde Mitteleuropa zum Kriegsschauplatz. Napoleon gelang es nach der Niederlage in Russland, rasch eine neue Armee aufzustellen. Zar Alexander konnte nach dem militärischen Erfolg des Jahres 1812 Bündnispartner gewinnen: Im Februar 1813 trat zunächst Preußen auf die russische Seite, im Verlauf der Sommermonate verstärkten Großbritannien, Schweden und Österreich die antinapoleonische Allianz. Die Kampfhandlungen, deren Brennpunkte vor allem in Sachsen und in Schlesien lagen, lassen sich in zwei Phasen einteilen. Im Frühjahrsfeldzug siegte Napoleons Heer bei Lützen/ Großgörschen (2. Mai) und Bautzen (20./21. Mai). Allerdings gelang dem französischen Kaiser wiederum kein Sieg, der den Krieg entschied. Nach einem über zweimonatigen Waffenstillstand vom 4. Juni bis zum 10. August zeigte sich, dass sich die relative Stärke der Kriegsparteien verändert hatte. Im Herbstfeldzug errang Napoleon zwar in der Schlacht um Dresden (26./27. August) einen Sieg, doch unterlagen in den folgenden Wochen mehrfach detachierte französische Verbände den alliierten Truppen. Die Entscheidung über die Kontrolle Mitteleuropas fiel schließlich in der Völkerschlacht bei Leipzig (16.—19. Oktober), die Napoleon mit einer zahlenmäßig unterlegenen Armee verlor. Die französische Herrschaftsordnung in den deutschen Ländern brach im Anschluss an diese Schlacht rasch zusammen, die Reste der Grande Armée zogen sich nach Frankreich zurück.
