Родился в Мекленбурге в Пархиме, окончил кадетский корпус в Копенгагене, был офицером датской армии. В 1822 году перешёл на прусскую службу. В 1826 году закончил Берлинскую военную академию, в 1828 году причислен к прусскому Генеральному штабу. В 1833 году — переведён в Генеральный штаб, работал в его Топографическом бюро.В 1835 году в чине капитана совершил путешествие на восток, где по просьбе Махмуда II остался в качестве военного советника. Участвовал в реформировании и обучении турецкой армии. Принимал участие в походах турок на курдов, Египет, Сирию. Эта страница биографии Х. Мольтке была отражена в его географических записках. В 1855 году вернулся в Пруссию, стал первым адъютантом кронпринца Фридриха-Вильгельма, в 1858 году назначен начальником прусского (с 1871 — германского) Генерального штаба. В 1864 году участвовал в германо-датской войне 1864 года. Результатом войны стало поражение Дании и отторжение от нее провинций Шлезвиг и Гольштейн, вошедших в состав Пруссии. В 1866 году совместно с генералом Альбрехтом фон Рооном разработал план кампании против Австрии. Благодаря плану Мольтке прусская армия получила преимущества быстрой мобилизации и сосредоточения. Австрийская армия потерпела ряд поражений в Богемии и Моравии, в сражении при Садовой была окончательно разгромлена. План битвы при Садовой целиком принадлежал Мольтке, основой плана была идея двух сходящихся ударов с целью расшатать позицию австрийцев и нарушить ее связность. Несмотря на неблагоприятное стечение обстоятельств (пруссов подвела техника — Эльбская армия не получила вовремя приказа на атаку из-за порчи телеграфа) план Мольтке удался и австрийская армия была разбита.

В 1866—1870 годах занимался разработкой плана войны с Францией. В 1870 году возглавил штаб Вильгельма в войне с Францией (фактически Мольтке был командующим войсками германских государств сражавшихся с Францией). Руководил победоносным для германцев сражением при Седане, в результате которого в плен сдался император Франции Наполеон Третий и 110 000 французских солдат. Осенью-зимой 1870 года руководил осадой Парижа. Участвовал в подготовке провозглашения Германской империи в январе 1871 года и условий мирного договора с Францией. 27 декабря 1870 года русское правительство наградило его орденом Св. Георгия II степени. 8 апреля 1871 года получил звание генерал-фельдмаршала Германской империи. 30 августа 1872 назначен шефом 69-го пехотного Рязанского полка, оставаясь им до своей смерти. В том же году получил звание генерал-фельдмаршала Российской империи. С 1867 по 1891 год был депутатом Рейхстага от консерваторов.

Автор нескольких книг по военному искусству и военной истории, наиболее значимые из которых «Военные поучения» и «История франко-германской войны 1870—1871 гг.». Наряду с К. Клаузевицом и А. Шлиффеном является крупнейшим военным теоретиком 19 века, основоположником германской военной мысли. Военные кампании, проведенные Х. Мольтке, были положены в основу «Плана Шлиффена».