Wezwany listownie przez Stanisława Augusta, który chciał zwiększyć swoje wpływy na losy insurekcji, a i w burzliwych momentach mieć bratanka przy sobie, Poniatowski wraz z Michałem Wielhorskim przybyli z zagranicy i 27 maja koło Jędrzejowa stawili się w obozie Kościuszki. Książę przyłączył się do powstania jako żołnierz-ochotnik, nie domagając się od byłego podwładnego żadnej posady. Odmówił natomiast przyjęcia dowództwa powstania na Litwie, gdzie naczelnik potrzebował kogoś na miejsce dymisjonowanego Jasińskiego, proponując w zamian do tej roli Wielhorskiego. Sam chciał być w okolicach Warszawy, blisko stryja, który jego obecności potrzebował. Bił się tam dzielnie od lipca przed i w czasie oblężenia stolicy przez Prusaków, przeciwko którym, przejąwszy sektor obrony miasta od odkomenderowanego na Litwę Mokronowskiego, w pierwszej połowie sierpnia prowadził skuteczne akcje ofensywne (Góry Szwedzkie, obecne Bemowo). W obronie Powązek 26 sierpnia dowodził nieszczęśliwie, ale z największym poświęceniem i narażeniem życia, był wtedy ranny, przygnieciony przez postrzelonego konia (poważniejsza wersja takiego wypadku będzie miała miejsce w czasie odwrotu spod Moskwy). Z poświęceniem walczył również w październiku na linii Bzury – walki te, kosztem ciężkich strat, odwróciły uwagę Prusaków od wycofującego się do Warszawy korpusu Dąbrowskiego. Udział ks. Poniatowskiego w powstaniu był jednak trudny z powodu pokrewieństwa z pogardzanym królem, braku dobrej współpracy wojskowej z Kościuszką, Zajączkiem i Dąbrowskim (chociaż sam naczelnik dążył do zwiększenia zaangażowania księcia w sprawy powstania), jak i wpływów oraz akcji radykałów z Kołłątajem na czele. Po Maciejowicach, już za naczelnika Wawrzeckiego, działającego pod wpływem Zajączka, stosunki między kierownictwem insurekcji a frakcją dworską powstańców stały się bardzo napięte.