I 1847 meldte han sig atter til tjeneste og blev i begyndelsen af 1848 chef for 5. batteri, hvilket med udmærkelse deltog i Treårskrigen 1848-50. Allerede ved Bov viste Dinesen sig som en dygtig artilleriofficer, idet han bragte fjendens godt dækkede kanoner til tavshed; senere deltog han i slaget ved Slesvig, i kampen ved Ullerup, i slaget ved Isted og i kampen ved Mysunde 1850. I denne sidste bidrog Dinesen ved en udmærket anvendelse af sit artilleri imod fjendens store overmagt til et for os heldigt udfald af fægtningen. Dinesen tog i 1852 afsked fra krigstjenesten, udnævntes da til major og trak sig tilbage til Katholm, sorn han satte i fortrinlig stand, medens han i 1854 valgtes som folketingsmand for for Randers Amts 5. kreds (Ebeltoftkredsen); desuden stillede han sig i spidsen for de 40 jyske godsejeres fæsteafløsningsprotest. Han sad dog kun 1 år på tinge, hvor han repræsenterede Højre. Endvidere deltog han med iver i den almindelige debat om landets befæstningsvæsen og udgav i 1854 pjecen: "Kjøbenhavns Betydning i den danske Stats Forsvarssystem"). Han udnævntes til kammerherre i 1858. 1835 var han blevet Ridder af Dannebrog og 1850 Dannebrogsmand.