В преддверии и в ходе первого Ватиканского собора был идейным вождём либеральной партии, противостоявшей ультрамонтанам. Дёллингер критиковал догматические положения о примате и «непогрешимости» папы Римского по существу в отличие от оппозиции на самом Соборе, в основном, полагавшей их только лишь несвоевременными, опубликовал ряд критических статей, в которых доказывал историческую и теологическую несостоятельность идеи «непогрешимости» папы и ультрамонтанизма, для представителей которого светская власть папы была чуть ли не догматом. Когда первый Ватиканский собор принял и закрепил идею папской безошибочности в виде догмата,  Дёллингер вместе с некоторыми другими немецкими теологами выразил резкий протест. В открытом письме к архиепископу Мюнхена отмечал, что не может принять решения Собора «ни как христианин, ни как теолог, ни как гражданин». Его книга «Der Papst und das Konzil» (1869 г.) была занесена в «Индекс запрещённых книг» накануне открытия Собора. Под псевдонимом «Quirinus» в 1869–1870 гг. в соавторстве с И. Губером Дёллингер опубликовал в «Augsburger Allgemeine Zeitung» 69 писем, в которых доказывал богословскую и историческую несостоятельность догмата о папской вероучительной непогрешимости. Письма были источником сведений о ходе Собора для внешнего мира; сами же авторы получали информацию от либерально настроенного папского библиотекаря Августина Тейнера (1804–1874 гг.). Дёллингер возглавил протест 49 профессоров Мюнхенского университета; в августе 1870 г. выпустил декларацию против соборных решений. В 1871 г., после отказа подписаться под определениями Собора, Мюнхенский архиепископ Грегор фон Шерр (1856–1877 гг.) отлучил его от церкви. В том же году Дёллингер и другие отлучённые от церкви противники решений Собора образовали самостоятельную церковную общину, которая получила название «Старокатолической». В последующие годы Дёллингер создал ряд произведений, в которых критиковал папский абсолютизм, деятельность и иерархическое устройство Ватикана, антиэкуменическую позицию (см. Экуменизм) католической церкви, уклонился от возможности епископского поставления голландским старокатолическим епископом Хенриком Лусом. Был активным зачинателем общехристианского экуменического диалога; в 1874 и 1875 гг. председательствовал на «объединительных» конференциях в Бонне, имевших целью содействовать объединению церквей, сохранивших веру и каноническое устройство исторического христианства, в которых участвовали старокатолики, православные и англикане. В 1873 г. королём Баварии Людвигом II (1864–1886 гг.) Дёллингер был назначен президентом Баварской академии наук. Его понимание вопросов христианского единства изложено в книге «Über die Wiedervereinigung der christlichen Kirchen» (1888 г.). Последнее напутствие принял от старокатолического священника.