Dessen Oberbefehlshaber Tilly hatte seine erste Feindberührung mit dem Schwedenkönig Gustav Adolf am 26. Juni 1631. Er war mit seinem Heer von Magdeburg aus in Richtung Werben marschiert. Dort hatten die Schweden ein festes Lager errichtet. Tilly postierte eine Vorhut aus drei Regimentern in den Dörfern Burgstall, Beiendorf und Angern. Zur Überraschung der Kaiserlichen griff Gustav Adolf jedes Regiment einzeln an. Der schwedische General Baudissin vernichtete das gesamte Reiterregiment Montecucculis in Burgstall; Gustav Adolf griff Bernstein in Beiendorf an, wobei Bernstein im Kampf fiel. Der Rheingraf Otto Ludwig fiel die Dragoner Holks bei Angern an. Obwohl dessen Dragoner bereits in Schlachtordnung standen, erlitten sie hohe Verluste und ergriffen die Flucht. Der Ort Angern wurde anschließend von Otto Ludwig sinnlos niedergebrannt. Da die Schweden den kaiserlichen Truppen den Nachschub abgeschnitten hatten, versuchte Tilly sein Heil im Angriff auf Werben. Der Angriff scheiterte, und Tilly mußte sich zurückziehen.
Die nächste Feindberührung mit den Schweden endete mit einer totalen Niederlage der kaiserlichen Truppen. Am 17. September 1631 standen sich bei Breitenfeld die vereinten schwedischen und sächsischen Heere und das kaiserliche Heer unter Tilly gegenüber. Die Schlacht war der Anfang vom militärischen Ende Tillys. In dieser Schlacht, die Pappenheim provoziert hatte und die Tilly entgegen seiner taktischen Pläne annehmen mußte, kämpfte Otto Ludwig auf dem rechten Flügel der Schweden. Er wurde gegen drei Uhr nachmittags von Pappenheims Dragonern durch eine Flankenbewegung im Rücken angegriffen. Bei üblicher Schlachtordnung hätte dies bereits verhängnisvoll für die Schweden enden können. Durch die neue Schlachtordnung in Schachbrettaufstellung konnte das Fußvolk und auch die Reiterei in kürzester Zeit ihre Verteidigungsrichtung ändern. Dadurch geriet Pappenheim mit seinen Reitern völlig unverhofft in das Abwehrfeuer der Schweden und mußte sich so gut es ging zurückziehen.
Obwohl in dieser Schlacht die mit den Schweden verbündeten sächsischen Truppen den anstürmenden kaiserlichen keinen langen Widerstand entgegensetzten (der Kurfürst Johann Georg floh als erster), war der Sieg Gustav Adolfs total. Tilly und Pappenheim verloren 20 Kanonen, 12.000 Mann als Tote und 7.000 Gefangene.
Nach der Schlacht von Breitenfeld war Deutschland für die schwedischen Invasoren offen. Das Aktionsfeld Otto Ludwigs verlagerte sich ab Dezember 1631 in die Gegend des Rheins, der Mosel und des Elsaß. Die Zeit zwischen Januar 1632 und September 1634 war für den Rheingrafen eine ununterbrochene Folge siegreicher Schlachten und Gefechte. Aufgrund seiner Erfolge kann man die Prognose wagen, daß Otto Ludwig zu den erfolgreichsten Feldherren des 30jährigen Krieges gezählt hätte, wenn er nicht schon mit 37 Jahren gestorben wäre.
Im Februar 1632 schlug Otto Ludwig die spanischen Hilfstruppen an der Mosel, die französischen Truppen unter dem Befehl des Herzogs von Orleans bei Veldenz und stürmte Kirchberg im Hunsrück. Als der spanische General Cajero den Rheingrafen mit einen Überraschungsangriff überfallen wollte, geriet er am 13. April selbst in eine Falle des Rheingrafen und verlor 12 Kompanien und eine große Anzahl seiner Offiziere. Cajero konnte sich nur mit Mühe nach Mainz in Sicherheit bringen. Als Cajero im Mai 1632 gemeinsam mit General de Silva heimlich Speyer verlassen und sich an der Mosel zurückziehen wollte, griff ihn Otto Ludwig zwischen Worms und Kreutznach erfolgreich an, nahm ihnen die gesamte Bagage ab und verfolgte die Flüchtenden bis Trier.
Von August bis November 1632 kämpfte Otto Ludwig unter Feldmarschall Horn in Würtemberg und im Elsaß erfolgreich gegen die kaiserlichen Generäle Ossa und Montecuccoli. An der entscheidenden Schlacht des schwedischen Heeres gegen die Truppen Wallensteins im November 1632 bei Lützen war Otto Ludwig nicht beteiligt, denn die Chroniken berichten, daß der Rheingraf am 16. November 1632 bei Schlettstadt die dort stationierte kaiserliche Reiterei schlug.
In den Jahren 1633 und 1634 setzte Otto Ludwig seine militärischen Erfolge fort. Feldmarschall Horn mußte sich mit seinem Heer dem des Bernhard von Sachsen-Weimar anschließen, so daß der Rheingraf selbständig im Elsaß und den angrenzenden Territorien operieren konnte. In dieser Zeit hielt er die Heere der kaiserlichen Generäle Aldringer, Feria, die des Markgrafen Wilhelm von Baden und des Herzogs von Lothringen in Schach und fügte ihnen zum Teil große Verluste zu. Allerdings hatte es Otto Ludwig nicht nur mit kaiserlichen Soldaten zu tun; die unmenschliche Ausplünderung der ländlichen Bevölkerung führte auch im Elsaß zu Bauernaufständen. Die katholische Bevölkerung der schwer in Mitleidenschaft gezogenen Länder sah in den Schweden nicht die Heilbringer. Mit zunehmender Dauer des Krieges entglitt die Disziplin der schwedischen Truppen den Kommandeuren. Das ursprüngliche protestantische Sendungsbewußtsein war abhandengekommen; Raub und systematische Verwüstung der eroberten Gebiete machte die schwedische Soldateska zum Inbegriff von Grausamkeit und Tod. Dabei war es für die heimgesuchte Bevölkerung völlig unerheblich, ob der Kommandeur der plündernden Truppen ein Schwede oder ein Deutscher war. Praktisch mußte der Rheingraf gegen die kaiserlichen Truppen und einen zivilen Gegner in Gestalt aufständischer Bauern kämpfen, wobei der "zivile Gegner" immer der Verlierer war.
Nachdem Otto Ludwig im Juni 1633 durch 8.000 Mann des Markgrafen Friedrich V. von Baden-Durlach verstärkt wurde, schlug er die kaiserlichen Generäle Graf Soye und Graf Ernst von Montecuccoli bei Breisach und nahm beide gefangen. Montecuccoli starb bald danach in der Gefangenschaft.
In den ersten Monaten des Jahres 1634 stellten die Kaiserlichen unter Franz Mercy und dem Markgrafen von Baden ein neues Heer auf. Der Rheingraf war ihr erster Gegner. Er eroberte nacheinander Sulz, Gebweiler, Ruffach und zwang die Kaiserlichen, sich in die Gegend um Thann zurückzuziehen. Am 2. März kam es zur Schlacht, in deren Verlauf die Kaiserlichen 1.700 Mann verloren und die Obristen Salm, Mercy und der Marquis von Bassompierre gefangen wurden. Anschließend gelang es ihm, die Städte Thann, Befort, Altkirch Neuburg und Freiburg zu erobern.
Im Herbst des Jahres 1634 entschied sich bei Nördlingen die weitere militärische Zukunft der schwedischen Armee. Der Kardinalinfant von Spanien hatte sich auf dem Marsch in die Niederlande mit dem Heer seines Vetters und Schwagers, Erzherzog Ferdinand, vereinigt und gemeinsam besiegten sie in der Schlacht bei Nördlingen 1634 die protestantischen Heere unter dem Befehl der schwedischen Generale Horn und Bernhard von Sachsen-Weimar.
Militärisch bedeutete dies das Ende der schwedischen und den ruhmvollen Höhepunkt der spanischen Armee.
Nach der Niederlage der Schweden bei Nördlingen schickte Bernhard von Sachsen-Weimar Befehle an alle in Franken und Württemberg verstreuten schwedischen Truppenteile, ihre Standorte zu räumen und sich mit den geschlagenen und fliehenden Truppen weiter westlich zusammenzuschließen. Er beabsichtigte eine neue Verteidigungsstellung am Rhein aufzubauen; - zweihundervierzig Kilometer hinter der ursprünglichen Frontlinie...
Auch Otto Ludwig zog Richtung Rhein, um den Paß bei Kehl zu sichern.
Man hatte ihm vorgeworfen, daß er durch einen zu langsamen Marsch nicht rechtzeitig bei Nördlingen angekommen sei und dadurch die Niederlage der Schweden begünstigt hätte; immerhin war er am 6. September nur drei Meilen vom Schlachtfeld entfernt gewesen. Es war Bernhard von Sachsen-Weimar, der ihn von dem Verdacht militärischer Versäumnisse entlastete.
Der Sieg hatte die Moral der kaiserlichen Truppen wiederhergestellt. Die protestantischen Städte fielen den vorrückenden Kaiserlichen unter Werth, Piccolomini und Isolani wie reife Früchte in den Schoß. Plötzlich sah sich auch der Rheingraf den vereinten Truppen des Wilhelm von Baden, des Herzogs von Lothringen und des Johann von Werth gegenüber. Otto Ludwig brachte die Bagage über den Rhein in Sicherheit und wollte den Gegner bei Wildstadt erwarten. Aber auf dem Ritt dorthin fiel er den Feinden in die Hände und nachdem er es abgelehnt hatte, sich erkennen zu geben, sprang er mit dem Pferd über die Uferböschung und schwamm mit dem Pferd als Kugelfang ans andere Ufer. Otto Ludwig konnte sich trotz gegnerischen Beschuß am Ufergestrüpp hochziehen und durch die Hilfe eines Hanauer Bauern in Sicherheit bringen.
Abgesprochen war, daß die Franzosen die Truppen Bernhards mit 6.000 Mann unterstützen sollten. Aber nach der Niederlage bei Nördlingen waren die in der sogenannten Heilbronner Liga organisierten protestantischen Verbündeten der Schweden zum Spielball ausländischer insbesondere französischer Interessen geworden. Deshalb weigerte sich Marschall de la Force, dem Rheingraf Truppen für einen geplanten Angriff auf Bayern und Lothringen zur Verfügung zu stellen.
Erst später, als Frankreich Spanien und seinen Verbündeten den Krieg erklärte, konnten die Schweden und damit auch Bernhard mit verstärkten Hilfen der Franzosen rechnen. Im Vertrag von Paris verpflichtete sich 1634 Frankreich, 12.000 Mann und 500.000 Livres für den Fall bereitzustellen, daß u.a. der katholische Glaube in Deutschland auch unter schwedischem Einfluß gesichert bleibt, einige Städte im Elsaß französisch bleiben und kein Waffenstillstand oder Friede ohne französische Zustimmung geschlossen werden sollte.
Auch Otto Ludwig unterzeichnete (mit Zustimmung des schwedischen Residenten Mockel) am 6. Oktober 1634 diesen Vertrag.
Als eingeschworener Gegner des Kaisers sah der Rheingraf in dem Vertrag den endgültigen Bruch zwischen dem König von Frankreich und dem deutschen Kaiser; damit war eine gefürchtete Koalition dieser beiden gegen Schweden ausgeschlossen.
Rheingraf Otto Ludwig überlebte diese Vertragsunterzeichnung nur um wenige Tage. Die Flucht vor den Kaiserlichen, das Bad im kalten Rhein und sicher auch der permanente Raubbau an seiner Gesundheit ließen ihn nicht älter als 37 Jahre werden. Er starb am 16. Oktober 1634 in Worms. Sechs Monate später gebar ihm seine Witwe seinen Sohn Johann X.
Das meuternde Heer Otto Ludwigs übernahmen die neuen Rheingrafen Otto und Hans Philipp.