В 1863 году Вагнер посетил Берлин, где жили фон Бюловы, и пока фон Бюлов репетировал концерт, Рихард и Козима отправились в экипаже на долгую прогулку, в ходе которой между ними произошло бурное объяснение.
Сам Рихард Вагнер на тот момент был женат на актрисе Минне Планер и имел несколько романов на стороне. Что касается госпожи фон Бюлов, она к тому времени успела стать матерью двух дочек — трехлетней Даниэлы и годовалой Бландины. То, что произошло далее, безусловно, не делает чести ни Козиме, ни Рихарду.
В 1864 году на баварский престол вступил восемнадцатилетний Людвиг II, являвшийся большим поклонником творчества Вагнера. Король оплатил все долги композитора, назначил ему щедрое содержание, а также пожаловал особняк в Мюнхене и дом на берегу Штарнбергского озера. Воспользовавшись своим новым положением, Вагнер пригласил фон Бюлова стать пианистом при дворе Людвига. Тот, разумеется, воспользовался этим выгодным предложением и приобрёл дом недалеко от Вагнера. В 1865 году, через девять месяцев после переезда, Козима родила дочь Изольду, которую назвала так в честь героини оперы Вагнера «Тристан и Изольда». Бюлов настолько боготворил Вагнера, что зарегистрировал ребёнка как свою дочь.
Чтобы оградить Козиму от пересудов, Вагнер обманом убедил Людвига II пригрозить наказанием сплетникам, которые, дескать, сочиняют небылицы о его отношениях с женой фон Бюлова, в то время как Козима была беременна уже вторым ребёнком от Рихарда — дочерью Евой. Между тем в 1866 году Вагнер овдовел и, выждав, согласно требованиям приличий, паузу, в 1866 решил оформить отношения со своей возлюбленной.
В 1868 году Козима попросила у мужа развода. Ганс упорно отказывался его дать, а отсутствие жены в доме объяснял всем её поездками к родственникам. Наконец в 1869 году, когда Козима родила Зигфрида — третьего и последнего своего ребёнка от Рихарда, которого она, так же как и Изольду, назвала именем героя оперы Вагнера, фон Бюлов сдался. В своем письме он деликатно ответил жене, что та «посвятила сокровища своего сердца и разума высшему существу», после чего он никогда больше не разговаривал с Вагнером, с Козимой же — лишь через одиннадцать лет, поскольку их связывали общие дети.
С тех пор Козима, которая отнюдь не являлась красавицей, стала единственной подругой Вагнера до последних его дней. Король, который, благодаря обману Вагнера, оказался поставлен в дурацкое положение, был вне себя, однако впоследствии простил обиду и в 1874 году финансировал строительство театра в г. Байрейте, в котором должны были исполняться только оперы Вагнера. Там же супруги основали Байрейтский фестиваль, предназначенный для постановок вагнеровских опер. После смерти Вагнера в 1883 году Козима возглавила фестиваль и сумела превратить его в весьма доходное предприятие, которое обеспечило семье финансовое процветание.