I 1785 returnerte von Fersen til Paris hvor han var på besøk til 1791 med visse avbrudd, blant annet i 1788 da han deltok i Gustav IIIs russiske krig. I Paris skal det ha oppstått et kjærlighetsforhold med Marie Antoinette som har gjort han verdensberømt. Da den franske revolusjonen brøt ut i 1789 fikk von Fersen i oppdrag av Gustav III å være observatør om det som skjedde i Frankrike. Von Fersen organiserte kongefamiliens fluktforsøk i juni 1791, da han ledsaget de flyktende til Bondy, et par mil fra Paris, men senere tok en annen vei enn dem for å lede forfølgerne på villspor. Da den kongelige familien ble tatt i Varennes var von Fersen ikke med. Han lyktes å komme seg over den franske grensen og inn i Batavia. Han ble værende i Brussel og var opptatt med diplomatiske forhandlinger inntil 1794, da han ble hjemkalt til Sverige. Under oppholdet i Belgia opprettholdt han hemmelige forbindelser med det franske kongeparet og var også på besøk i Paris i 1792 i forkledning.