С 1842 года Фадеев служил волонтером на Кавказе. Приехав в Санкт-Петербург, был выслан "«за непозволительную болтовню»" в Екатеринослав, где провёл около двух лет в вынужденном бездействии. В конце 1850 года вновь поступил на службу в Кавказскую армию и с тех пор почти без перерыва принимал участие в военных действиях, завершившихся покорением Кавказа. Во время войны с турками в 1853—1855 годах он отличился в боях при Башкадыкларе и Курукдаре, описанных им затем в «Северной пчеле» и «Journal de St.-Pétersbourg». С 1859 года состоял при главнокомандующем на Кавказе князе А. И. Барятинском и по его поручению написал обстоятельную официальную историю Кавказской войны, вышедшую в свет в 1860 году под заглавием «Шестьдесят лет кавказской войны». Произвёденный 22 августа 1864 года в генерал-майоры, Фадеев выступил на поприще военного публициста в «Письмах с Кавказа», печатавшихся в «Московских ведомостях». Относясь отрицательно к реформам, предпринятым военным министром Д. А. Милютиным, он в 1866 году вышел в отставку.