Libéré en août, Dumoulin rejoint sa troupe au siège de Lyon, en état de révolte contre la République. Le 30 septembre 1793, le commandant Albert Desvignes, chef de bataillon des Grenadiers de Paris, est tué par des insurgés au pont Morand. Le lendemain , le capitaine Dumoulin est élu pour reprendre le commandement à 27 ans. Après un siège de plusieurs mois, la ville est prise le 9 octobre 1793. Une répression terrible est menée par Collot d'Herbois et Fouché et va durer plusieurs mois jusqu'au printemps 1794 et fera plusieurs milliers de victimes, fusillés, guillotinés ou mitraillés par canonade.