Ayant rejoint Québec, il entretient de bonnes relations avec Louis-Joseph de Montcalm et Louis-Antoine de Bougainville, mais rencontre l'hostilité de Vaudreuil et de Lotbinière, le conduisant à écrire au ministre Massiac. Il accompagne Montcalm au fort Carillon en juin 1758 afin d'en reconnaître les environs et le mettre en état de défense. Dans son journal de campagne, Bougainville écrit à son sujet : « Il a le cœur droit et intègre, il est franc dans ses propos et vrai dans sa conduite. Il a une bonne théorie de son métier, assez de cette routine et de cette expérience de guerre qui font un bon ingénieur de campagne ». Loué par la cour de Versailles pour son travail et le rôle qu'il joue dans la victoire lors de bataille du 8 juillet, il est promu lieutenant-colonel le 20 octobre suivant. Il reçoit instructions de mettre les fortifications du Canada en état de parer l'offensive britannique attendue en 1759. Il rejoint le fort Frontenac, que Vaudreuil souhaitait qu'il soit reconstruit, mais Pontleroy juge le lieu indéfendable. À Québec, il considère les fortifications de la haute ville les plus faibles. Il commande le détachement du génie lors du dernier combat pour garder la Nouvelle-France. Il est fréquemment au combat et sert aux côtés de Montcalm lors de la bataille des Plaines d'Abraham. Prenant part au conseil de guerre tenu par Vaudreuil après la bataille, il vote avec la majorité, préférant une retraite à la contre-attaque souhaitée par le gouverneur.