К началу Отечественной войны 1812 года генерал-майор Вельяминов командовал 33-й пехотной дивизией и находился в прибалтийских губерниях, с отличием сражался против корпуса маршала Макдональда под Ригой. В Заграничной кампании 1813 года был тяжело ранен при осаде Данцига, по выздоровлении состоял начальником штаба корпуса Александра Вюртембергского и в 1814 году получил чин генерал-лейтенанта. Во время Ста дней совершил поход во Францию, но прибыл туда уже к окончанию боевых действий.