Необыкновенные способности Федора Келлера к военным наукам неоднократно отмечались командованием. Он постоянно работал над собой, изучал последние достижения военных наук, никогда не отказывался от сложных заданий и всегда блестяще выполнял их, находя оригинальные, неожиданные решения. Успехи и усердие в службе были по заслугам оценены: в 1872 г. Ф.Э. Келлер был возведен в чин поручика гвардии, а через два года стал штабс-ротмистром. После окончания в 1876 г. Николаевской академии Генерального штаба по первому разряду был удостоен чина ротмистра гвардии и подполковника Генерального штаба. Приняв эскадрон, он всего лишь два месяца командовал им. Далее в его жизни произошли события, повлиявшие на его дальнейшую судьбу.
Годом ранее вспыхнуло восстание православного сербского населения в мусульманских Боснии и Герцеговине, которое турки пытались подавить страшными зверствами. Неоднократные протесты России (Европа оставалась к этому равнодушной) оставались без ответа со стороны Турции, заручившейся моральной и материальной поддержкой европейских стран, в первую очередь Англии. 20 июня 1876 г. Сербия и Черногория, будучи не в силах спокойно наблюдать гибель сородичей и единоверцев, объявили Турции войну. Эта война за правое дело вызвала большой подъем духа в русском обществе, нашла живейший отклик в русских сердцах. Тысячи русских добровольцев пополнили ряды сражавшихся сербов. Ф.Э. Келлер, помня о своих сербских предках и всей душой сочувствуя братьям-славянам, 1 августа 1876 г. добился увольнения в отставку и отправился в Сербию для участия в совместной борьбе.
По прибытии на театр военных действий он был зачислен подполковником сербской армии и вскоре уже участвовал в боях, удивляя всех своей храбростью. Однажды, проводя изучение местности и противника, чуть не попал в плен, окруженный турками, но ухитрился пробиться через вражеские цепи, отчаянно отстреливаясь из револьвера. Его смелость и находчивость были лучшим примером для бойцов, которые, глядя на своего командира, становились настоящими храбрецами.
В составе русско-болгарской бригады, сформированной в сентябре, Ф.Э. Келлер выполнял различные поручения возглавившего тогда сербскую армию отставного генерал-майора М.Г. Черняева, известного своими победами в Средней Азии, также добровольцем прибывшего сражаться на Балканы. Нередко выезжал в командировки к наследнику цесаревичу, фельдмаршалу князю А.И. Барятинскому. Вскоре его назначили начальником левого крыла 3-го корпуса. Он командовал десятью батальонами пехоты, эскадроном конницы и десятью орудиями. Впоследствии к ним были присоединены четыре батальона и эскадрон добровольцев.
В то время Ф.Э. Келлеру шел 27-й год. Воевать приходилось в сложных природных и погодных условиях, часто подвергаясь нападениям турецких башибузуков и вооруженного местного населения, настраиваемого турками против христиан. Сербы по достоинству оценили заслуги Ф.Э. Келлера. Он был награжден сначала серебряной, а затем большой золотой медалью «За храбрость», офицерским крестом сербского ордена Такова, который в России ценился наравне с орденом Св. Георгия.
К сожалению, силы сербов, в рядах которых сражались русские, и турок были неравны. Противник был силен, хорошо обучен, организован, имел новейшее вооружение, а сербы, легко поддаваясь панике, отступали при первом же натиске. 17 октября турки перешли в наступление и совершенно разгромили сербскую армию.
Стало ясно, что Сербия больше не может да и не хочет продолжать войну, и часть русских отправилась на родину. Из оставшихся добровольцев была сформирована дивизия, начальником штаба которой и стал Ф.Э. Келлер. Он со свойственной ему энергией принялся наводить порядок в дивизии, в первую очередь по вопросам укрепления дисциплины, но видя тщетность своих усилий по укреплению дисциплины и не находя поддержки со стороны начальника дивизии, вернулся на родину.
В декабре он вновь поступил на службу в русскую армию в чине подполковника и был зачислен в распоряжение Генерального штаба. В начале следующего 1877 года его назначили офицером для поручений при штабе XI армейского корпуса.
Тем временем Турция, поддерживаемая западными державами, потребовала демобилизации русской армии и невмешательства России во «внутренние дела» Оттоманской империи. Разрыв России с Турцией стал неизбежен. Румыния, перестав быть вассалом Турции, подписала конвенцию с Россией и стала ее союзником. 12 апреля 1877 г. последовал Высочайший манифест о войне с Турцией.
В тот же день Ф.Э. Келлер в составе XI армейского корпуса форсировал р. Прут и участвовал во взятии г. Галаца. В составе отряда полковника Реута, в качестве начальника штаба, во главе сотни 40-го Донского казачьего полка, под огнем турецких кораблей он 10 мая занял с. Гуру Яломницу, где в течение нескольких дней руководил возведением укреплений. В числе разведчиков на пароходе «Фульдженеро» в июне он участвовал в рекогносцировке у Гирсова и установке заграждений в главном русле Дуная. За храбрость и отвагу был награжден орденом Св. Владимира 4-й степени с мечами и бантом.
Поистине славной станицей биографии Ф.Э. Келлера стал героический поход с 4 октября 1877 г. по 2 января 1878 г. в составе Шипкинского отряда. 24 декабря он назначается начальником штаба Иметлийского отряда вместо раненого подполковника А.Н. Куропаткина. Командовал отрядом генерал-лейтенант М.Д. Скобелев. Об их взаимоотношениях можно судить со слов известного писателя-баталиста В.И. Немировича-Данченко, передававшего в своем дневнике слова знаменитого генерала: «Если меня убьют… – то слушаться графа Келлера. Я ему сообщил все».
После рекогносцировки с 24 по 27 декабря Ф.Э. Келлер провел через Иметлийский перевал колонну русских войск. Этот переход уже сам по себе был подвигом. Немирович-Данченко описал его в книге, посвященной генералу Скобелеву: «Рыхлые снега приходились по грудь, шли в какой-то каше… Поворачивали направо, налево; уходили опять назад, огибая отвесы диких скал; вспалзывали по лестницам, образуемым выступами их, падали с этих лестниц, когда вместо камня под ногами оказывался лед. Наконец показался песок. Тут тропинка оказалась до того узка, что солдаты шли гуськом. До того был убийственно тяжел этот путь, что без преувеличения должен сказать: отдыхали через каждые двадцать пять – тридцать шагов. И какие это шаги были! Солдаты с натугой выхватывали ногу из снеговой глыбы, потом ступали вперед, опять погружаясь в вязкую массу. Под ногами снег расползался, ноги расходились – приходилось падать и, скрипя зубами, подниматься опять… Полковник Ласковский далеко впереди. Он разрабатывает дорогу. С ним начальник штаба граф Келлер, они бросили своих лошадей и идут так. Это еще только начало пути, а уже можно прийти в отчаяние!»
Однако вскоре полковник Ласковский был ранен, и Ф.Э. Келлеру пришлось одному вести колонну отряда через перевал. 26 декабря он участвовал в бою под Иметли, 27 декабря – в сражении Иметлийского отряда против Шейновского лагеря турок и 28 декабря под Шейновом – в пленении всей турецкой армии Весселя-паши. За отличие при переходе через Балканы и в боях под Шейновом Ф.Э. Келлер награждается орденом Св. Георгия 4-й ст., за отличие в сражении под Плевной – Золотой саблей с надписью «За храбрость», за участие в сражении 9 сентября под Церковной – орденом Св. Станислава 2-й степени с мечами.
В первые дни 1878 г. Ф.Э. Келлера назначили начальником штаба болгарского ополчения, а спустя два дня – начальником штаба авангарда действующей армии под командованием генерал-лейтенанта М.Д. Скобелева. В составе этого авангарда он участвует в походе от Казанлыка к Андрианополю и взятии г. Хаскиная. 23 января по заключении перемирия граф участвовал совместно с турецкими офицерами в определении нейтральной полосы между двумя армиями – от Черного до Мраморного моря. По исполнении этого поручения он направляется в штаб болгарского ополчения, откуда дважды под его командованием отправляются отряды для усмирения турецкого населения. В мае 1878 г. последовало переформирование болгарского ополчения в болгарское земское войско, начальником штаба которого назначается Ф.Э. Келлер. С 6 мая он временно исполнял должность начальника штаба всех войск, вверенных генералу князю А.М. Дондукову-Корсакову с оставлением исполнять занимаемую должность.
