1627 trat Piccolomini als kaiserlicher Oberst in die Dienste Wallensteins. Zugleich war er Kommandant seiner Leibgarde und wurde von ihm auch mit diplomatischen Missionen betraut. Kurz vor und nach der Absetzung Wallensteins marschierte Piccolomini wieder nach Italien, wo er Truppen in den Mantuanischen Erbfolgekrieg führte. Nach dem Frieden von Cherasco im April 1631 blieb Piccolomini noch mehrere Monate als eine der Geiseln für die Sicherstellung des Friedens in Ferrara interniert und war erst im Dezember des Jahres zurück in Böhmen, als Wallenstein gerade sein zweites Generalat annahm. Bei Lützen trat Piccolomini nach dem Tod Pappenheims dessen unmittelbare Nachfolge an und ritt noch sieben Attacken, bei denen ihm fünf Pferde unter dem Sattel weggeschossen worden sein sollen, während er selbst nur leicht verletzt wurde. Nach der Schlacht bei Lützen wurde Piccolomini zum Generalwachtmeister befördert. Nach einem erfolgreichen Gefecht bei Steinau an der Oder wurde er zum General der Kavallerie ernannt.