หลังการเสียกรุงศรีอยุธยาครั้งที่สองในปี พ.ศ. 2310 พระองค์ลาทรงติดตามสมเด็จพระปฐมบรมมหาชนกกับเจ้าจอมมารดาไปประทับที่เมืองพิษณุโลกจนพระบิดาเสด็จสวรรคต พระองค์จึงได้ปลงพระศพและนำพระอัฐิมาถวายพระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช และในวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2325 ทรงสถาปนาพระอนุชาเป็น "สมเด็จพระเจ้าน้องยาเธอ เจ้าฟ้ากรมหลวงจักรเจษฎา" ให้ประทับอยู่นิเวศน์เดิมของกรมพระราชวังบวรสถานมงคล เมื่อปี พ.ศ. 2328 ทรงรับราชการเป็นยกกระบัตรทัพในสงครามเก้าทัพ และร่วมตีเมืองเชียงใหม่กับสมเด็จพระบวรราชเจ้ามหาสุรสิงหนาท