Im Jahre 1752 schrieb Bougainville ein mathematisches Werk über die Integralrechnung. Nachdem er Sekretär der französischen Botschaft in London geworden war, wurde er 1756 in die wissenschaftliche Gesellschaft, die Royal Society in London, aufgenommen. Im selben Jahr ging er für mehrere Jahre als Adjutant des Generals Louis-Joseph de Montcalm nach Französisch-Kanada (Neufrankreich), wo er während des Franzosen- und Indianerkriegs gegen Großbritannien kämpfte. In die Schlacht auf der Abraham-Ebene in der Nähe von Québec am 13. September 1759, in der die Franzosen eine entscheidende Niederlage erlitten und sein Vorgesetzter Montcalm tödlich verwundet wurde, konnte Bougainville mit den von ihm geführten Soldaten nicht mehr rechtzeitig eingreifen, da Montcalm sein Eintreffen nicht abgewartet hatte. Die Abwesenheit Bougainvilles war möglicherweise schlacht- und kriegsentscheidend. Als Oberst der Infanterie kehrte er aus englischer Gefangenschaft nach Frankreich zurück und trat 1763 mit dem gleichwertigen Rang eines Kapitäns in die Französische Marine über.