A 1 de dezembro de 1874, Afonso publicou o Manifesto de Sandhurst, apresentando-se aos espanhóis como um príncipe católico, espanhol, constitucional, liberal e desejoso de servir à nação.
A 29 de dezembro de 1874 produziu-se a restauração da monarquia, ao dar o general Arsenio Martínez-Campos um golpe de estado em Sagunto (Valência) em favor do acesso ao trono do príncipe Afonso. Naquele momento, o Chefe de Estado era o general Serrano. O Chefe de Governo era Sagasta. Em janeiro de 1875 chegou à Espanha e foi proclamado rei ante as Cortes Generales.
O seu reinado consistiu principalmente em consolidar a monarquia e a estabilidade institucional, reparando os danos que as lutas internas dos anos do chamado Sexénio Revolucionário deixaram, ganhando o cognome de «o Pacificador». Foi aprovada a nova Constituição de 1876 e durante esse mesmo ano terminou a guerra carlista, dirigida pelo pretendente Carlos VII (o próprio monarca esteve presente no campo de batalha, para presenciar o seu final). Os foros Bascos e Navarros foram reduzidos e conseguiu-se que cessassem, transitoriamente, as hostilidades em Cuba, com a assinatura da Paz de Zanjón.
Afonso XII realizou, em 1883, uma visita oficial à Bélgica, Áustria, Alemanha e França. Na Alemanha aceitou a sua nomeação como coronel de honra de um regimento da guarnição de Alsácia, território conquistado pelos alemães e cuja soberania reclamava a França. Este facto deu lugar a uma receção hostil ao monarca espanhol por parte da população de Paris durante a sua visita oficial a França.
A Alemanha tentou ocupar as ilhas Carolinas, naquele momento debaixo do domínio espanhol, provocando um incidente entre os dois países que terminou em favor da Espanha com a assinatura de um acordo hispano-alemão em 1885. Nesse mesmo ano desencadeou-se um surto de cólera em Aranjuez. O monarca, sem contar com a aprovação do governo, visitou os enfermos, gesto que foi apreciado pela população. Pouco tempo depois, a 25 de Novembro, Afonso XII faleceu de tuberculose no Palacio Real de El Pardo, em Madrid.
Casou-se em primeiras núpcias com Mercedes de Orleães e depois com a arquiduquesa Maria Cristina da Áustria, de quem teve três filhos.
Quando morreu, a sua mulher encontrava-se grávida e foi nomeada regente até ao nascimento de seu filho, Afonso XIII.