El 1 de marzo de 1854, en Ayutla de los Libres, actual Estado de Guerrero, Florencio Villareal y Juan N. Álvarez proclamaron el Plan de Ayutla contra el presidente Antonio López de Santa Anna, quien estaba en el poder por décima primera ocasión desde el 20 de abril de 1853. Con esta proclamación, dio comienzo la Revolución de Ayutla. En Oaxaca, Marcos Pérez y sus allegados comenzaron a planear un movimiento que secundara la Revolución, para lo cual establecieron correspondencia con la ciudad estadounidense de Nueva Orleans, donde se encontraba exiliado el exgobernador Benito Juárez, a consecuencia de una riña personal con Santa Anna. Cuando miembros de la policía secreta del gobierno, descubrieron las cartas de los conspiradores, Marcos Pérez y sus compañeros fueron encarcelados en el convento de Santo Domingo. Porfirio Díaz intentó visitar a Pérez, pero su familia lo intentó desanimar diciendo que «Los muros de Santo Domingo no se pueden escalar». Díaz logró escalar las torres del convento, con ayuda de su hermano, la noche del 23 de noviembre, y logró comunicarse vía idioma latín con Marcos Pérez. Unas semanas más tarde, el gobernador Martínez Pinillos decretó amnistía para los presos, y Porfirio Díaz fue quien se los comunicó. En diciembre, el mismo gobernador exilió a Pérez en Tehuacán, Puebla, y ordenó la captura de Díaz, por haber votado públicamente en contra de Santa Anna y a favor de Álvarez, llamándole «Su Excelencia el Señor General Don Juan Álvarez». quien de inmediato formó una pequeña guerrilla, con la que enfrentó a las fuerzas federales en el enfrentamiento de Teotongo, el 7 de febrero de 1855.
El 9 de agosto de 1855, Santa Anna renunció a la presidencia y se embarcó en el puerto de Veracruz rumbo a Cuba. Juan N. Álvarez, quien había encabezado la revolución, se convirtió en presidente provisional. El 27 de agosto, Benito Juárez regresó de su exilio en el extranjero y fue nombrado gobernador de Oaxaca. Celestino Macedonio, quien era el Secretario de Gobierno Estatal, nombró a Díaz como jefe político del Distrito de Ixtlán. En este pueblo, y a pesar de la oposición del jefe militar estatal, Díaz organiza la primera guardia en la historia de Ixtlán, con la que participó, a finales de 1856, en el primer sitio de Oaxaca, donde recibió una herida de bala, razón por la que el doctor Esteban Calderón le practicó una operación.
En premio a sus servicios por la causa liberal, el presidente Ignacio Comonfort confirió a Díaz el mando militar del Istmo de Tehuantepec, en la cabecera de Sto. Domingo Tehuantepec. Ante una inminente rebelión conservadora, Díaz tomó Jamiltepec, en el distrito de Ixcapa, donde logró detener el avance conservador. En Tehuantepec conoció al dominico de tendencias liberales Mauricio López, al administrador de correos Juan Calvo, al juez y comerciante Juan A. Avendaño, y al viajero francés Charles Etienne Brasseur. También logró tener contacto con la cultura zapoteca y la cultura mixteca, puesto que de esta última tenía sangre por porta materna. Conoció a la insigne tehuana Doña Juana C. Romero, descendiente de una importante familia política por lo que se relacionó con ella para, años más tarde durante el Porfiriato, impulsar el desarrollo del Istmo. En 1860, salió por primera vez de Oaxaca. Es entonces cuando Brasseur lo describe como «Alto, bien hecho, de una notable distinción, su rostro de gran nobleza, agradablemente bronceado, me parecía revelar los rasgos más perfectos de la antigua aristocracia mexicana..., sería de desear que todas las provincias de México fueran administradas por gente de su carácter. Porfirio Díaz es, sin dudarlo un momento, el hombre de Oaxaca».
Al estallar la Guerra de Reforma, Díaz peleó en varias batallas, como en la acción militar de Calpulalpan, bajo las órdenes de José María Díaz Ordaz e Ignacio Mejía. En tres años le fueron conferidos los cargos de mayor, coronel y teniente general. Tras el triunfo liberal, acaecido el 11 de enero de 1861, Díaz fue postulado a diputado federal, logrando obtener una curul por Oaxaca en el Congreso de la Unión. Sin embargo, al ser ejecutados Melchor Ocampo, Leandro Valle y Santos Degollado, por las fuerzas conservadoras en el transcurso del año, Díaz solicitó permiso para ausentarse e ir a pelear. El permiso le fue concedido y en su lugar quedó su suplente, Justo Benítez.
El 31 de octubre, se celebró en Londres, una convención entre los representantes de España, Francia e Inglaterra, con el propósito de definir la política a seguir con las deudas de México, ya que el 24 de julio, Juárez suspendió los pagos debido a la bancarrota de la hacienda nacional. A principios de diciembre, las fuerzas francesas, españolas e inglesas llegaron a Veracruz, Córdoba y Orizaba, comandadas por Dubois de Saligny, Juan Prim y John Russell. Gracias a la intervención del Ministro de Relaciones Exteriores del gobierno mexicano, Manuel Doblado, España e Inglaterra retiraron sus tropas, como lo establecía el punto número cuatro de los Tratados de La Soledad. Sin embargo, Francia se negó a abandonar el territorio mexicano y en marzo de 1862 avanzó al interior con un poco más de 5,000 soldados, bajo el mando de Charles Ferdinand Latrille, Conde de Lorencez. A fines de abril de ese mismo año, se fortificaron en Las Flores, un pequeño poblado del Estado de Veracruz. Benito Juárez ordenó a Ignacio Zaragoza, general mexicano que participó del lado liberal en la Guerra de Reforma, hacer frente a las fuerzas francesas en Puebla. El 5 de mayo, Díaz y otros militares intervinieron en la Batalla de Puebla, donde lograron derrotar a los franceses y hacerlos retroceder hasta Orizaba. Díaz defendió el ala izquierda de la ciudad, y rebatió en dos ocasiones el ataque francés. Una vez que huyeron, González Ortega y Porfirio Díaz se dieron a la tarea de perseguirlos, hasta que Zaragoza se los impidió. Ese mismo día, Juárez recibió una carta de Zaragoza mencionándole los detalles de la batalla, y haciendo hincapié en «el empeño y bizarría del ciudadano general don Porfirio Díaz».
El 8 de septiembre, Zaragoza murió en Puebla. A principios de 1863, el emperador Napoleón III envió treinta mil soldados a tierra mexicana, ya que su intención era imponer una presencia geopolítica francesa (y europea) otra vez en América. Federico Forey era el comandante de las fuerzas galas, quienes pusieron sitio a Puebla el 3 de abril de 1863. Jesús González Ortega fue el encargado de defender la plaza, con ayuda de otros militares como Miguel Negrete, Felipe Berriozábal y Díaz. Tras más de un mes de acciones militares fallidas por parte de ambos bandos, la ciudad cayó en manos de los franceses la noche del 17 de mayo. Díaz ordenó destruir todo el armamento y las municiones del ejército mexicano, para que no cayeran en manos de los franceses. Una vez que las tropas invasoras entraron a la fortificación mexicana, los militares republicanos fueron hechos prisioneros.
Díaz, junto con todos los demás militares, fue capturado y detenido en el Convento de Santa Inés, en Puebla, los prisioneros fueron llevados a Veracruz, donde se les conduciría a Martinica. Dos días antes de ser embarcados, Díaz y Berriozábal escaparon rumbo a la Ciudad de México. En esta ciudad, Juárez y sus ministros se preparaban para escapar, puesto que las tropas de Juan Nepomuceno Almonte iban a tomar la capital con ayuda de los refuerzos franceses. Díaz habló con Juárez la mañana del 31 de mayo, en que el presidente le preguntó qué estaba dispuesto a hacer por la causa liberal. Díaz respondió que necesitaba organizar un ejército para combatir a las fuerzas conservadoras y francesas. Juárez, por consejo de Sebastián Lerdo de Tejada, le asignó 30,000 a su división militar, con la que Díaz marchó a Oaxaca con el cargo de gobernador interino. Hacia mediados de junio, logró llegar a Oaxaca acompañado de su hermano Felipe y del coronel Manuel González, quien se había escapado de las fuerzas conservadoras en Celaya, cuando el ex presidente Comonfort fue derrotado y asesinado.
Durante todo el año de 1864, Díaz y González desarrollaron una guerra de guerrillas en Oaxaca, y los franceses nunca pudieron penetrar al estado. Sin embargo, los triunfos de los conservadores aumentaban y Juárez se vio obligado a salir de Monterrey rumbo a Paso del Norte. Un grupo de militares y clérigos conservadores se dirigieron hacia Viena, Austria, en octubre de 1863 a ofrecer la corona del Imperio Mexicano al archiduqueMaximiliano de Habsburgo y su esposa Carlota de Bélgica. Tras una pequeña encuesta realizada entre los altos círculos políticos y sociales del país, Maximiliano aceptó la propuesta y se convirtió en emperador el 10 de junio de 1864, instaurando así el Segundo Imperio Mexicano.
Hacia principios de febrero de 1865, Díaz empezó la fortificación de Oaxaca, puesto que las fuerzas de Aquiles Bazaine estaban a punto de tomar la vieja Antequera. El 19 de febrero Bazaine comenzó el Sitio de Oaxaca, y tras varios meses de asedio, Díaz se rindió el 22 de junio. Bazaine ordenó fusilarlo, pero la intervención de Justo Benítez le salvó la vida. Fue confinado a prisión perpetua en el Convento de las Carmelitas, en Puebla, por el delito de sedición. Sin embargo, en la prisión, entabló amistad con el barón húngaro Louis de Salignac, quien era el encargado de la cárcel. En una ocasión, cuando el comandante militar de la plaza salió de la ciudad, Díaz intentó escapar a base de un cuchillo y una cuerda. El barón lo descubrió, pero en lugar de delatarlo, lo dejó ir. Esa misma tarde organizó a un centenar de hombres para salir al combate y escribió una carta a Juárez. Era el 20 de septiembre de 1865.
Escenario de la Batalla de Puebla, librada el 5 de mayo de 1862 y en la que participó Díaz.
Tras más de un año reclutando hombres y pertrechos, Díaz regresó al sur del país, donde fue apoyado por el viejo cacique liberal Juan Álvarez. Reorganizó el Ejército de Oriente y con sus tropas triunfó el 3 de octubre de 1866 en la Batalla de Miahuatlán y el 18 de octubre en la Batalla de la Carbonera. Tras más de dos meses de preparación y toma de ciudades de Oaxaca, el Ejército de Oriente tomó la capital la noche del 27 de diciembre. De inmediato Díaz se erigió en gobernador provisional, destituyó y ejecutó a las autoridades francesas. El arzobispo de Oaxaca, lanzó un sermón en contra del gobierno republicano, pero Díaz lo mando ahorcar bajo el cargo de rebelión. Cuando Díaz salió de Oaxaca, en enero de 1867, nombró como gobernador sustituto a Juan de Dios Borja.
El 5 de febrero de 1867, en París, Napoleón III envió un parte a Bazaine ordenando la retirada de las tropas francesas de México, en vista de la presión ejercida por la prensa, la opinión pública y el parlamento francés, y por la tensión que había con los prusianos que en un futuro cercano haría que estallara la Guerra Franco Prusiana. Esta medida significó el principio de la caída del Imperio, pues las fuerzas conservadores del emperador apenas sumaban 500 soldados. El avance liberal comenzó, Maximiliano, acompañado de los militares conservadores Tomás Mejía y Miguel Miramón, se marchó con sus tropas a Querétaro, donde Mariano Escobedo puso sitio a la ciudad, que se rindió el 15 de mayo. Mientras tanto, Carlota de Bélgica marchó a Viena, París y Roma, donde se entrevistó con Francisco José I, Napoleón III y su esposa Eugenia de Montijo, y con el Papa Pío IX. En los tres casos, pidió apoyo para su esposo, que le fue denegado. En Roma se volvió loca, y fue recluida el resto de su vida en un castillo de Bruselas, donde murió el 19 de enero de 1927 a la edad de 87 años.
En marzo, comenzó el sitio de Puebla, comandado por Díaz. Durante más de tres semanas cortó la comunicación de la ciudad y derrotó a las tropas de Leonardo Márquez, quien después de ser vencido por los liberales, huyó a Toluca. Tras varios días de meditaciones, la mañana del 2 de abril de 1867, Díaz asaltó Puebla. Así culminó la acción militar conocida como Batalla del 2 de abril, en la que cayó Puebla, única ciudad en el sur que estaba en poder de los franceses. Sólo faltaban por caer Quéretaro y la capital.
Márquez había logrado fortificar a 700 hombres en las llanuras cercanas a Toluca, ciudad ante la cual Díaz y sus hombres se dirigían. La mañana del 16 de abril comisionó al comandante Gonzalo Montes de Oca a enfrentar a Márquez. El resultado fue favorable a las tropas mexicanas, y Márquez huyó hacia Cuba, donde murió en 1913. A este hecho se le conoce como Batalla de las Lomas de San Lorenzo y a partir de ella comenzó el sitio de la Ciudad de México, que se prolongó hasta el 15 de junio, cuando todo el país ya se encontraba en manos de los republicanos. Durante el sitio y a la hora de entrar en la ciudad, Díaz prohibió los saqueos y los robos. Dos militares lo desobedecieron y fueron fusilados.
El 15 de mayo Maximiliano entregó la plaza de Querétaro a Mariano Escobedo, y fue hecho prisionero junto a Miramón y Mejía. Tras un juicio sumario por quebrantar las leyes internacionales, la soberanía nacional y el Tratado de la Soledad, fueron fusilados la mañana del 19 de junio, a pesar de que varios personajes intentaron salvar la vida del emperador, como Víctor Hugo, escritor francés, escribió a Juárez pidiendo clemencia para el emperador. La condesa de Salm Salm, quien intercedió por Maximiliano ante Díaz, hizo lo mismo ante Juárez, pero la respuesta fue la misma. A la población de México se le hizo creer que Maximiliano aún vivía y que regresaría triunfante a la capital, hasta que Díaz hizo circular un panfleto desestimando esta teoría.
Benito Juárez, presidente de México durante la Segunda Intervención Francesa.
2 de abril de 1867. Entrada del general Porfirio Díaz a Puebla, óleo de Francisco de Paula Mendoza, 1902.
Juárez hizo público su reconocimiento a Díaz en una carta a Guillermo Prieto, donde afirmaba
"Es un buen chico nuestro Porfirio. Nunca fecha sus cartas hasta que no toma una capital".
En su discurso final del 15 de julio, día en que entró a la capital, Juárez reconoció públicamente a Díaz, quien fue premiado con una división y una hacienda en Oaxaca, conocida como Hacienda de La Noria, donde años más tarde sería proclamado el Plan de La Noria. Su hermano Felipe fue electo gobernador de Oaxaca, por votación popular, cargo en el que estaría hasta 1871. Tras ello, Díaz se retiró a Oaxaca a vivir.
Durante las guerras en que se vio envuelto, Díaz se relacionó amorosamente con varias mujeres. La primera y la más conocida de sus aventuras amorosas fue la sostenida con Juana Catalina Romero, durante los años de la Guerra de Reforma. Cuenta una leyenda que durante la Batalla de Miahuatlán, Díaz se ocultó bajo las enaguas de Juana Catalina. Esta relación duró más allá de la guerra, cuando Díaz ya era presidente y por ello favoreció la zona de Tehuantepec. Un relato popular cuenta que el tren de la ciudad atravesaba por la hacienda de Juana Catalina, y que el presidente saltaba del vagón para visitarla. Otra aventura que Díaz mantuvo fue con la soldadera Rafaela Quiñones, durante toda la guerra de intervención. A principios de 1867 nació la hija de la relación entre Díaz y Quiñones, llamada Amada Díaz, quien vivió con su padre hasta 1879 y se quedó en México tras la caída del gobierno porfirista. Finalmente murió en 1962.
El 15 de abril de 1867, Díaz se casó por poder con su sobrina Delfina Ortega de Díaz, tras mediar con el presidente Juárez la disposición para dispensar el parentesco carnal. En 1869 nació su primer hijo, Porfirio Germán, que murió ese mismo año. Dos años más tarde la pareja concibió a unos gemelos, quienes corrieron la misma suerte que su primer hijo. Tras varios años, en 1873 nació el primero de los hijos que llegaría a la edad adulta, Porfirio Díaz Ortega. El 5 de mayo de 1875 nació la última hija del matrimonio, Luz Victoria, llamada así en honor a la victoria republicana del 5 de mayo de 1862 en Puebla.