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.