En el año 1870, su madre abdicó en su favor. Las dificultades internas de la I República, la prolongación de la guerra con Cuba y el inicio de la tercera guerra carlista hicieron que aumentara el número de partidarios de la causa alfonsina. Tras el golpe de estado del general Pavía, que acabó con la I República, Cánovas del Castillo se preocupó de conseguir el apoyo del ejército para llevar a cabo la restauración de la monarquía borbónica. En diciembre de 1874, Cánovas hizo firmar a Alfonso el llamado manifiesto de Sandhurst, por el que el futuro monarca se declaraba partidario de la monarquía parlamentaria. El 29 de ese mismo mes, desde Sagunto, el general Martínez Campos proclamó a Alfonso XII como nuevo Rey de España. A la espera de la llegada del rey Cánovas se hizo cargo del gobierno.

Alfonso XII llegó a Barcelona en enero de 1875 y tres días después a Madrid. Con la restauración monárquica se consolidó un sistema político fundamentalmente bipartidista. El partido conservador, liderado por Cánovas del Castillo y apoyado por la aristocracia y las clases medias moderadas, se repartía el poder político con el partido liberal, liderado por Sagasta y apoyado por industriales y comerciantes. En realidad, al margen de esta realidad política, la vida del país estaba dominada por la oligarquía política y el caciquismo de la aristocracia rural.

Se casó en enero de 1878 con su prima María de las Mercedes de Orleans, sobrina de Isabel II y nieta del Rey Luis Felipe de Francia. Pero la reina murió seis meses después y al año siguiente Alfonso se volvió a casar con María Cristina de Habsburgo-Lorena, Archiduquesa de Austria. De esta unión nacieron tres hijos: María de las Mercedes, María Teresa y el futuro Alfonso XIII seis meses después de la muerte de su padre.

Durante su reinado se puso fin a la tercera guerra carlista; se zanjó satisfactoriamente para la monarquía el conflicto con Cuba; se aprobó una nueva Constitución en 1876, sustituyendo a la de 1869, y se tomaron una serie de medidas conducentes a una centralización jurídico-administrativa. En cualquier caso, en el contexto de las relaciones internacionales del continente europeo.

En este reinado, España se mantuvo en la neutralidad, argumentando Cánovas que España se hallaba en plena Restauración y acababa de salir de la guerra civil carlista y no era conveniente comprometer más recursos en una política exterior más activa.

El 25 de noviembre de 1885, moría Alfonso XII en El Pardo como consecuencia de una tuberculosis. Fue enterrado en el Panteón de los Reyes del Monasterio de El Escorial. Su hijo y heredero al trono nacería seis meses después de su muerte.