Il rentre en Pologne en mai 1794 pour se mettre au service de Tadeusz Kosciuszko, commandant en chef de l'insurrection qu'il a lancée le 24 mars. Le 4 juin, Wielhorski est placé à la tête de l'armée de Lituanie à la place de Jakub Jasinski, l'initiateur du soulèvement de Wilno (23 avril). Malade, il est remplacé en août par Stanislas Mokronowski. Kosciuszko essaie de le faire entrer au Conseil de guerre, mais sa nomination est bloquée par la tendance des « Jacobins », alors que Wielhorski fait partie de la tendance conservatrice avec Poniatowski et Mokronowski (les « courtisans »).