Во время преследования неприятеля 4-й пехотный корпус А. И. Остермана-Толстого находился в авангарде генерала М. А. Милорадовича, особенно отличившись при штурме города Вязьмы 22 октября. Когда же наполеоновская армия, не сумев удержаться в Смоленске, двинулась ускоренными маршами в сторону западной границы, А. И. Остерману-Толстому по приказу Кутузова был выделен в самостоятельную команду отряд в составе 4-го кавалерийского корпуса, частей 4-го пехотного корпуса и нескольких партизанских подразделений, которые, следуя параллельно отступлению противника, препятствовали ему свернуть со Смоленской дороги, разоренной войной. Остерман, наблюдавший за движением неприятеля, сообщал М. И. Кутузову о сосредоточении значительных сил у города Красного, где вскоре произошло большое сражение, длившееся три дня. Войска Остермана настигали отдельные отряды французов, стремившихся к городу. Дорого расплачивался неприятель, дерзнувший вступить с оружием в руках на русскую землю. «Пленные — изнуренные, обгорелые, в оборванных шинельках, под измятыми киверами, с подвязанными ушами и в безобразной обуви — являли нам плачевные остатки великой и некогда страшной армии завоевателя Европы», — вспоминал об этих днях И. Радожицкий.

В село Кобызево войскам Остермана был доставлен знаменитый приказ М. И. Кутузова: «После чрезвычайных успехов, одерживаемых нами ежедневно и повсюду над неприятелем, остается его только быстро преследовать; тогда… земля русская, которую мечтал он поработить, усеется костьми его… Идем вперед!.. Перед нами разбитый неприятель! Да будет за нами тишина и спокойствие!»

Конец Отечественной войны застал А. И. Остермана-Толстого в Вильно, где 10 декабря располагалась Главная квартира М. И. Кутузова. Переживания за судьбу Родины в первые месяцы войны, перенапряжение сил, последствия контузии и ранения под Красным почувствовались разом, как только отступили бедствия, грозившие Отечеству. Для излечения болезней Остерман покинул армию, в которой находился с первого до последнего дня Отечественной войны 1812 года.

Пройдя сквозь все испытания войны 1812 года, несокрушимые духом россияне верили, что «пожар Москвы рано или поздно осветит им путь к Парижу». Война отступала от границ России. Весной 1813 года русские войска сражались в Германии, освобождая ее от французского владычества. В марте 1813 года корпус П. X. Витгенштейна освободил Берлин, и Остерман отправился туда, объявив супруге, что едет искать облегчения у немецких врачей, на самом же деле стремясь быть как можно ближе к армии.

16 апреля в Бунцлау умер Михаил Илларионович Кутузов. Не стало мудрого, опытного и мужественного вождя русской армии — и капризное счастье вновь улыбнулось французскому полководцу. В первом же после смерти Кутузова сражении при Люцене союзники потерпели поражение. «Я снова вернусь на Вислу», — твердил Наполеон своим приближенным. В этих обстоятельствах не было на свете недуга, который бы заставил Остермана оставаться в бездействии.

Он появился в армии 8 мая во время сражения под Бауценом и, не имея команды, отправился на поле битвы волонтером к своему любимому Павловскому гренадерскому полку. Полк в это время теснили французы, и сбитые с позиции русские воины поспешно отступали, как вдруг на их пути и так, что обойти его было невозможно, встал Остерман. «Ребята! Стыдно! Вперед!» — крикнул им генерал, и это их остановило. Павловцы вновь обратились на французов, а Остерман остался распоряжаться в цепи стрелков, которые восторженно приветствовали его возвращение в строй. Здесь же он был тяжело ранен в плечо, но с поля боя его увезли лишь тогда, когда он начал сползать с седла от потери крови.

Едва оправившись от раны, он вновь возвратился к армии вопреки советам докторов. 14 августа А. И. Остерману-Толстому был поручен отряд, состоявший из гвардейской дивизии А. П. Ермолова и пехотного корпуса Е. Вюртембергского. В ночь с 15 на 16 августа Остерман получил известие о том, что союзные войска после неудачного для них сражения под Дрезденом двигались к Теплицу по труднопроходимой дороге среди Богемских гор, образующих узкий коридор. Там же находились оба монарха — Александр I и прусский король. С тыла союзные армии преследовали главные силы французов, в то время, как 40-тысячный корпус генерала Вандама шел им наперерез к Теплицкому шоссе, стремясь закрыть выход из горных теснин. Посовещавшись с соратниками А. П. Ермоловым и Е. Вюртембергским, Остерман решился со своим 19-тысячным отрядом заступить дорогу корпусу Вандама. «Счастье начальствовать гвардиею… оправдало смелость предприятия моего. С известными службою генералами, командующими гвардией, с усердием, все чины и солдат воспламенеющим, я уверен был, что достигну моей цели, и всякое затруднение вышло из предположений моих», — писал военачальник впоследствии.

17 августа произошло сражение под Кульмом. В тот час, когда русские войска, заменив свою малочисленность мужеством и искусством, отразили все атаки неприятеля и сам Остерман направлял в сокрушительную контратаку свой последний резерв, он внезапно ощутил резкую боль в плече, от которой все происходившее вокруг сразу померкло в его глазах. В левой руке он ощущал сплошную, разрывавшую сердце боль. Весь рукав и левая сторона мундира сразу же стали мокрыми от горячей крови. Когда его бережно снимали с лошади, он улыбался бледными губами, чтобы поддержать настроение радовавшихся победе солдат, и говорил им: «Вот как я заплатил за честь командовать гвардией. Я доволен».

Его положили на траву возле зеленого кустарника. От боли он терял сознание, от боли же приходил в себя. Сначала, очнувшись, он увидел над собой плачущего прусского короля и, проваливаясь в забытье, успел подумать, что союзные армии успели спуститься с гор. Потом, придя в себя, он услышал, как трое лекарей рядом с ним говорили по-латыни о том, как лучше отнять ему раздробленную руку. Самый молодой лекарь Кукловский обернулся к Остерману и заметил насмешку в его глазах. «Напрасно мы, господа, толкуем по-латыни, — сказал он коллегам, — граф ее лучше нашего знает». В ответ раздался глухой от боли, но твердый голос Остермана: «Ты молодец! На, режь ты, а не другой кто!» Операционным столом служил барабан. Рядом с палаткой, где производилась операция, по просьбе генерала гвардейские музыканты пели русские песни, чтобы кто-нибудь случайно не услышал его стона. Предосторожность эта была излишней: Остерман молчал. В его палатке стояли отбитые у неприятеля знамена. «По крайней мере, я умру непобежденным», — сказал генерал солдатам, принесшим эти трофеи.

Через полтора месяца он увиделся в Праге, спасенной его войсками от разорения, со своей супругой Елизаветой Алексеевной, которая следовала за мужем в этом походе, но тем не менее узнала о случившемся с ним несчастье лишь накануне свидания с ним. Проезд А. И. Остермана-Толстого из Теплица, где он лежал в госпитале, в Прагу, по словам писателя И. И. Лажечникова, «есть настоящее торжество героя! Жители, стремящиеся толпами видеть избавителя Богемии, покидают свои домы, оставляют работы свои, заграждают ему дорогу и теснятся около него с благоговением». В 1816 году он получил новый знак благодарности и признательности чешских жителей: это был серебряный кубок, «украшенный разными сея земли драгоценными каменьями» с надписью: «Храброму Остерману от чешских женщин в память о Кульме 17 августа 1813 года». На кубке Александр Иванович велел выгравировать имена офицеров, раненных и павших под Кульмом, а затем передал его в Преображенский полк, где начиналась его военная служба. В связи с этим событием он получил рескрипт от императора Александра I, в котором были такие слова: «…Не могу оставить без замечания, что вы, отдавая должную справедливость участвовавшим в сем знаменитом сражении воинам, забыли себя, тогда как вы в оном предводительствовали и потерянием руки своей купили победу. Обстоятельство, умолчанное вашею скромностью, но незабвенное Отечеством…» За битву при Кульме А. И. Остерман-Толстой был награжден орденом св. Георгия II степени и вскоре назначен генерал-адъютантом Александра I.