Гельмут Карл Бернхард фон Мольтке (Старший) принадлежал к дворянскому роду, известному с XII столетия, представители которого жили на территории Германии, Дании и Швеции. Он родился 26 октября 1800 г. в городе Пархим в Мекленбург-Шверинском герцогстве в семье немецкого офицера, завершившего военную карьеру в звании генерал-лейтенанта датской армии. Образование Мольтке получил в кадетском корпусе в Копенгагене, в 1819 г. также начал военную службу офицером датской армии, но в 1822 г. перешел на прусскую службу и поступил в Военную академию в Берлине, которую окончил в 1826 г. В годы учения Мольтке проявил способности к языкам (немецкому, датскому, французскому), военной истории, математике.
С 1828 г. Мольтке был сотрудником топографического бюро при Генеральном штабе Пруссии – с этим учреждением оказалась связана вся его военная карьера на протяжении следующих 60 лет. В это же время появляется его первая работа на историческую тему – «Отношения Голландии и Бельгии со времени их разделения при Филиппе II до их воссоединения при Вильгельме I» (1831). Затем Мольтке приступил к переводу на немецкий язык «Истории упадка и разрушения Римской империи» английского историка XVIII в. Эдуарда Гиббона, однако он так и не увидел свет, что послужило поводом судебного разбирательства с издателем. С 1836 г. Мольтке был военным советником султана Махмуда II, занимавшимся реорганизацией турецкой армии по европейскому образцу. Вернулся в Германию после поражения османской армии от египетских войск Ибрагима-паши в битве при Низибе (1839). Написал и опубликовал «Письма о событиях в Турции 1835–1839 гг.» (1841) и «Историю русско-турецкой войны 1828–1829 гг. в европейской Турции» (1843).
С 1841 по 1857 гг. (с перерывами) Мольтке исполнял обязанности адъютанта при представителях династии Гогенцоллернов – принцах Фридрихе Карле, Генрихе Карле и Фридрихе Вильгельме (позднее Фридрих III). В 1856 г. был произведен в генерал-майоры, в октябре 1857 г. назначен исполняющим обязанности начальника Генерального штаба, утвержден в должности в сентябре 1858 г. (с 1859 г. в звании генерал-лейтенанта). При Мольтке значение Генерального штаба в системе управления прусской армии возросло благодаря сотрудничеству с военным министром Альбрехтом фон Рооном (1859–1873) и министром-президентом Отто фон Бисмарком (1862–1890), которые вопреки сопротивлению нижней палаты прусского парламента (ландтага) провели реформу армии при поддержке короля Пруссии Вильгельма I (1861–1888).
Реорганизация вооруженных сил способствовала повышению боеспособности регулярной прусской армии в войнах с Данией (1864), Австрией (1866) и Францией (1870–1871), во время которых Мольтке фактически руководил военными действиями в качестве начальника штаба (в двух последних войнах верховным главнокомандующим формально являлся Вильгельм I). После провозглашения Германской империи в 1871 г. Мольтке был назначен начальником имперского Генштаба, получил от короля титул графа и звание генерал-фельдмаршала. С 1872 г. генерал-фельдмаршал русской армии; избран почетным членом Императорской Санкт-Петербургской академии наук и Николаевской академии Генерального штаба.
С начала 1880-х гг. Мольтке фактически отошел от руководства делами. В августе 1888 г. он подал императору Вильгельму II прошение об отставке с должности начальника имперского Генерального штаба; назначен председателем комиссии по обороне. Принимал участие в политической деятельности в качестве члена прусской палаты господ и депутата рейхстага. Скончался в Берлине 24 апреля 1891 г.