Продолжив с армией движение, Салтыков в районе Кроссена соединился с австрийским корпусом генерала Лаудона и, заняв Франкфурт-на-Одере, предложил австрийскому главнокомандующему Л. Дауну развернуть совместное наступление на Берлин. Пока тот колебался, Фридрих II с главными силами прусской армии, переправившись через Одер севернее Франкфурта, решил ударом с тыла разгромить союзников.
1 августа 1759 года у деревни Кунерсдорф произошло самое крупное сражение между прусской и русско-австрийской армиями в Семилетней войне. В распоряжении Фридриха в этом сражении было 48 тыс. человек и около 200 орудий, у генерал-аншефа Салтыкова – 41 тысяча русских, 18,5 тысяч австрийцев, 248 орудий.
Салтыков, заняв центром и правым флангом господствующие высоты и укрепив их в инженерном отношении, преднамеренно побудил Фридриха атаковать левый фланг русских войск. С огромным трудом пруссакам удалось овладеть позициями на левом фланге противника, но затем атаки прусской армии разбились о центр русско-австрийских войск, где особенно умело действовал генерал П.А. Румянцев, будущий знаменитый полководец. Безуспешными оказались и атаки лучшей в Европе прусской кавалерии Зейдлица, отступившей с большими потерями. Сражение, продолжавшееся весь день, завершилось беспорядочным отступлением прусской армии, которая потеряла около 19 тысяччеловек, всю артиллерию и обоз.
Потрясенный неудачей, Фридрих едва не покончил с собой. «Всё потеряно, спасайте двор и архивы», — писал он в Берлин. Шляпу прусского короля, бежавшего после сражения, подобрали русские солдаты. Как реликвия Кунерсдорфа она доныне хранится под стеклом на стенде в музее А. В. Суворова в Санкт-Петербурге.
За победу под Кунерсдорфом Елизавета удостоила Салтыкова фельдмаршальским чином, особой медалью с надписью: «Победителю над пруссаками», а австрийская императрица Мария Терезия подарила ему бриллиантовый перстень и табакерку с бриллиантами. Характерно, что сам главнокомандующий скромно оценивал свою роль в армии, отдавая должное русским офицерам и солдатам. «Ныне её императорское величество», — писал Петр Семёнович Елизавете, — «имеет у себя много таких храбрых и искусных генералов, каких сомневаюсь, чтоб где столько было; а все свои».
После Кунерсдорфа Прусская армия, используя несогласованность в действиях русских и австрийских войск, происходившую от противоречивых указаний из Вены и Петербурга, все же смогла оправиться от поражения и повести затяжную оборону. Поскольку Л. Даун уклонялся от совместных наступательных действий, Салтыков в 1760 году перенёс главные усилия русской армии в Померанию, а часть сил направил в рейд на Берлин.
28 сентября (9 октября) 1760 года берлинский гарнизон капитулировал перед генералом Тотлебеном. При известии о подходе армии Фридриха корпуса генерал-майора Тотлебена и генерал-поручика З. Г. Чернышёва, принимавшие вместе с австрийским корпусом генерала Ласси участие в берлинской экспедиции, отступили, по приказу командования, на соединение с основными силами Салтыкова.
Сподвижники русского фельдмаршала замечали его неудовлетворенность затянувшимися позиционными формами ведения войны. Сковываемый инструкциями из Петербурга и бесконечными согласованиями с Веной, Салтыков тяготился тем, что фактически не имел возможности самостоятельно организовывать решительные наступательные операции. В конце 1760 года, ссылаясь на пошатнувшееся здоровье, он отпросился у императрицы уехать в Познань для лечения и вскоре покинул пост главнокомандующего.
С вступлением на престол Петра III (1761 год) война с Пруссией была прекращена. В период кратковременного правления Петра Салтыков находился в бездействии, но в 1762 году новая императрица Екатерина II вернула его на службу. В день своей коронации она пожаловала фельдмаршала золотой шпагой, осыпанной бриллиантами. В следующем году Пётр Семенович стал членом правительствующего Сената, а в 1764 году был назначен главнокомандующим и генерал-губернатором в Москву. Там он успешно управлялся с административными делами, но его ждала непредвиденная ситуация: в 1770–1771 годах в Москве разразилась эпидемия чумы, сопровождавшаяся бунтами.