С началом Русско-турецкой войны принц был принят на российскую службу начальником Днепровской гребной флотилии в чине контр-адмирала. Матросы называли Нассау «пирог с грибами», так как он выучил по-русски только две команды: «вперёд!» и «греби!», но произносил их как «пирог» и «грибы». 17—18 июня 1788 он вместе с контр-адмиралом Джон Пол Джонсом разбил турецкий флот под Очаковым и 1 июля уничтожил его остатки, укрывшиеся под защиту крепости. За проявленные в этих делах военную доблесть и мужество Нассау-Зиген получил звание вице-адмирала. Вскоре князь Потёмкин начал ревновать к его флотоводческой славе, и Нассау-Зиген cчёл за лучшее уехать в Санкт-Петербург. Императрица милостиво приняла Нассау-Зигена и назначила начальником гребного флота в Финском заливе. Также отправляла с дипломатическим поручением его к разным европейским дворам содействовать заключению тайного русско-французско-испанско-австрийского союза.