При приближении неприятеля к Москве Ростопчин по распоряжению государя организовал эвакуацию из города ряда государственных учереждений, ценностей Оружейной палаты и Патриаршей ризницы, ряда монастырей в Нижний Новгород и Вологду. Для этих целей в городе и губернии было собрано 63 тысячи подвод.
Однако он оставил французам в Москве большие запасы продовольствия и фуража, московский арсенал с его содержимым. За это Ростопчина винили и современники, и историки. В московском арсенале к концу августа хранилось свыше 90 тысяч единиц различного огнестрельного и до 50 тысяч единиц холодного оружия, частью нуждавшегося в ремонте.
Ростопчину удалось вывезти в Новгород 191 новое артиллерийское орудие и 15 600 сабель. 18 августа он распорядился продавать всем желающим по низким ценам охотничьи ружья, закупленные властями на Макарьевской ярмарке.
Когда главное командование над русской армией принял М.И. Голенищев-Кутузов, граф вел с ним переписку, в которой речь шла о защите Москвы. После Бородинского сражения Ростопчин опубликовал сообщение о намерении армейского командования дать Наполеону битву под городскими стенами – «на Трех горах». 1 сентября толпы москвичей пришли за оружием к московскому арсеналу, но его они так и не получили.
Генерал-губернатор организовал устройство раненых воинов, доставленных в Москву санитарными обозами с Бородинского поля. В его дом на улице Большая Лубянка был доставлен тяжелораненый генерал от инфантерии князь П.И. Багратион. В ряде казенных зданий были открыты временные госпитали, а для их обслуживания созданы команды врачей и фельдшеров.
31 августа был отдан приказ закрыть все питейные заведения, и запрещена продажа спиртных напитков.
Чтобы «утвердить спокойствие и порядок» в городе, ставшем прифронтовым, Ростопчин отдал на растерзание разъяренной толпе мещанина Верещагина, которого он обвинил за панические высказывания в шпионаже в пользу французов.
Граф строго следил за порядком: по его распоряжению нескольких иностранцев, обвиненных в пронаполеоновской пропаганде, публично наказали плетьми и сослали в Сибирь. В Нижний Новгород на барже отправили более 40 взятых под стражу иностранцев и заключенных из Московского тюремного замка.
Когда военный совет в Филях принял решение оставить Москву без боя, генерал-губернатор приказал вывезти из города весь «огнегасительный обоз», то есть пожарную часть. Выполняя кутузовское распоряжение, организовал поджоги складов с различным имуществом, продовольствием и фуражом, которые нельзя было вывезти. Считается, что это стало одной из причин Московского пожара, испепелившего древний город.
Московский главнокомандующий подготовил 5 тысяч подвод для поспешной эвакуации тяжелораненых и больных. Прочим ходячим раненым было предложено самим выбираться из города.
Ростопчин в силу своего положения сделал все возможное, чтобы город покинуло почти все его население. Считается, что к дню вступления в Москву наполеоновских войск в нем из более 275 тысяч жителей осталось не более 6 тысяч человек, в немалой части иностранцев. В середине августа из города в день в среднем выезжало около 1320 повозок.
Во время наполеоновского «сидения» в Москве находился во Владимире. Как только французские войска оставили выгоревшую первопрестольную столицу, вернулся в него и стал заниматься восстановлением городского управления (полностью работало к концу 1812 года) и хозяйства. Оказывал всемерную помощь нуждающимся и бесприютным горожанам.
Начал следствие по делу «изменников», служивших при французах в созданном ими «московском муниципалитете». Все столичные жители, остававшиеся в оккупированной Москве, были отданы под надзор полиции.
Власти сразу же организовали очистку зданий и улиц от трупов, падали и нечистот. В течение месяца из пределов города было вывезены и сожжены 11 955 человеческих и 12 360 конских трупов. Этими работами занимались подмосковные крестьяне.
Для поддержания порядка в городе были привлечены ратники Владимирского и Тверского ополчений, поскольку московские ополченцы находились в рядах действующей армии. Было налажено изъятие у обывателей оружия и брошенного вооружения, на что ушло более двух лет.
Граф Ф.В. Ростопчин, человек инициативный и деятельный, сделал для восстановления города очень многое. В 1813 году им учреждается Комиссия для строения Москвы. К началу 1814 года было отремонтировано и вновь построено 4800 каменных и деревянных домов. Однако это было только первым шагом в восстановительных работах. В июне того же года организовал торжества по случаю занятия Парижа и заключения Парижского мира.
В том же году отношение императора Александра I, вернувшегося в Россию, к Ростопчину резко меняется. В августе он снимается с должности главнокомандующего в Москве с назначением членом Государственного совета. Граф отправляется на жительство во Францию (с 1815 по 1823 год). В декабре 1823 год увольняется и с должности члена Госсовета с сохранением звания обер-камергера.