Al dadelijk na terugkeer werd Wolterbeek benoemd tot lid van een staatscommissie ter bepaling van de sterkte van de zeemacht in tijden van oorlog en vrede. In 1829 werd hij benoemd tot directeur en commandant van het hoofddepartement "Zuiderzee". Hij ging nu wonen in het voor hem bestemde huis op de Rijkswerf te Amsterdam om aldaar beter toezicht te kunnen houden. Op 25 december 1829 werd prins Frederik belast met het opperbestuur over de Departementen van Marine en van Oorlog. Wolterbeek werd aangesteld als directeur-generaal van Marine en nam daartoe op 1 januari 1830 de portefeuille van Minister Elout over. Omdat Prins Frederik het tijdens de Belgische omwenteling erg druk had met zaken elders berustte de verantwoording voor de marinezaken meestal bij de directeur-generaal. Op 23 maart 1831 werd Wolterbeek bevorderd tot viceadmiraal. De voornaamste werken die onder zijn bestuur werden verricht bestonden uit het geschikt maken en betonnen van het zeegat van Brouwershaven, het verbeteren der kustverlichting, de organisatie van de dan ontluikende stoomvaart, het bouwen van een marinehospitaal en een marinierskazerne in Willemsoord ter vervanging van oude hospitaal- en kazerneschepen, het weer geschikt maken van het droogdok te Vlissingen en nog vele andere zaken.