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 A. M. Дондукову-Корсакову с оставлением исполнять занимаемую должность.
4 апреля 1879 г. Ф. Э. Келлера произвели в полковники, и в том же году — во флигель-адъютанты. В мае 1879 г. он направляется в Константинополь и на Балканский полуостров для участия в работе международной комиссии по определению границ Болгарии. За службу в рядах болгарского ополчения болгарским князем Александром I ему был пожалован рескрипт, а за участие в сражениях при Эски-Загре, Шипке и Шейново — медаль.
В январе 1880 г. Ф. Э. Келлер возвращается в Россию. Через два года он был зачислен в свиту Его Императорского величества и награжден орденом Св. Анны 2-й степени.
30 декабря 1882 г. состоялось назначение графа командиром лейб-гвардии 4-го стрелкового Императорской фамилии батальона с оставлением в звании флигель-адъютанта. Это было очень почетное назначение.
За успешное выполнение проверки порядка призыва в Полтавской губернии графу Ф. Э. Келлеру было объявлено «монаршее благоволение». В 1884 г. по высочайшему повелению — командировка во Францию для присутствия на маневрах войск. В 1886 г. ему пожалован орден Св. Владимира 3-й степени и французский Командорский крест ордена Почетного легиона, а в 1889 г. — персидский орден Льва и Солнца I степени.
Честному войсковому офицеру, более привыкшему к боевым испытаниям, чем к дворцовым интригам, нахождение при царском дворе принесло немало неприятностей. Он был незаслуженно оболган в глазах императора Александра III, что всю его дальнейшую жизнь причиняло ему массу неприятностей, так как в этой истории фигурировал близкий к императорскому двору князь В. П. Мещерский, пользовавшийся большим влиянием. Однажды князю Мещерскому, известному и как автор романов так называемого «салонного жанра», в которых описывалась жизнь великосветского Петербурга («Женщины петербургского большого света», «Мужчины петербургского большого света» и др.), и не скрывавшему свое влечение к юношам, приглянулся трубач из батальона Ф. Э. Келлера. Тогда Ф. Э. Келлер, узнав о связи князя с трубачом, возмутился. Он наказал подчиненного и решительно пресек его «отношения» с князем. Разгневанный Мещерский решил отомстить графу, начав, по своему обыкновению, доносить на него, распространять грязные слухи, в том числе в газете-журнале «Гражданин», основателем и издателем которого он являлся. Интриги князя принесли «плоды» — в 1890 г. Ф. Э. Келлеру пришлось оставить командование батальоном.
Тем не менее за ратные заслуги его вскоре произвели в генерал-майоры с назначением заведующим мобилизационной частью Главного управления казачьих войск и переводом в Генеральный штаб. В этой должности он несколько раз выезжал для наблюдения за ходом проверочной мобилизации в казачьих войсках: Донском, Кубанском, Оренбургском и Астраханском. Ему прочили скорое повышение по службе и в 1892 г. представили к ордену Св. Станислава 1-й степени, наградили сербским орденом Такова 2-й степени, но уже через год усилиями князя Мещерского молодой генерал был зачислен в запас Генерального штаба. Между тем расследование доказало невиновность Ф. Э. Келлера и всю низость В. П. Мещерского в отношении к нему. Справедливость восторжествовала, и Ф. Э. Келлер был реабилитирован, а 4 ноября 1893 г. назначен директором Пажеского корпуса.
Он близко к сердцу принимал интересы каждого из своих подчиненных, всегда был рад сделать что-нибудь хорошее, оказать нравственную или материальную поддержку. Каждый раз, когда ему это удавалось сделать, он чувствовал себя поистине счастливым. Шесть лет директорства Ф. Э. Келлера были воистину самой яркой эпохой всей истории этого элитного учебного заведения. Многие его воспитанники впоследствии с теплотой вспоминали добрые дела графа. И воспитанники, и сослуживцы искренне сожалели, когда в 1899 г. граф Ф. Э. Келлер был произведен в генерал-лейтенанты и назначен екатеринославским губернатором.
В управление губернией он вступил в тот момент, когда она начала уже переживать промышленный кризис, создавший общее тревожное настроение и более частые, чем когда-либо, конфликты между властью и обывателем. Кроме того, его предшественник, князь Н. И. Святополк-Мирский, пользовался в крае большой популярностью и оставил о себе самые лучшие воспоминания. Все это, казалось, говорило о том, что новое лицо должны были бы встретить недоверчиво, настороженно, даже с предубеждением. Однако благодаря своему тонкому уму и обаянию новый губернатор сумел поставить дело так, что между ним и большей частью населения установились добрые отношения. Он часто общался с жителями, появляясь один в различных местах города, совершал частые поездки в уезды.
По своим убеждениям Ф. Э. Келлер был человеком прогрессивным. Особенно горячо он ратовал за просвещение, считая его делом первостепенной важности, а безграмотность — позором страны. И на этом посту он оставил после себя значительный след в истории страны.
С началом Русско-японской войны как истинный патриот он решает принять непосредственное участие в боевых действиях. Шлет прошения и письма государю и командующему Маньчжурской армией генерал-адъютанту А. Н. Куропаткину, с которым вместе воевал на Балканах, с просьбой о переводе его в действующую армию. 7 марта 1904 г. он наконец был освобожден от занимаемой должности и назначен в распоряжение военного министра, а затем — командующего Маньчжурской армией. По прибытии на Дальний Восток Ф. Э. Келлеру было поручено командование II Сибирским корпусом, и вскоре он становится начальником всего Восточного отряда, в который входил корпус.