В мае 1710 г. Брюс командовал артиллерией в армии фельдмаршала Шереметева и участвовал в осаде и штурме Риги, а затем Динамюнде, Пернова, Ревеля, Кегсгольма. В следующем году он стал участником Прутского похода, в котором русская армия оказалась на краю гибели. Армия Петра была окружена у реки Прут в несколько раз превосходящими силами турок. Все их атаки были отбиты, но положение оторванной от баз и окруженной армии было исключительно тяжелым. 12 июля 1711 г. Петром I был подписан невыгодный для России Прутский мирный договор, согласно которому Россия обязывалась уничтожить ряд крепостей на юге и возвращала Турции Азов. Яков Брюс, непосредственно участвовавший в отражении многократно превосходящих сил противника в качестве начальника артиллерии, на обратном пути из Прутского похода 3 августа 1711 г. царским указом был утвержден в звании генерал-фельдцейхмейстера (командующего артиллерией) русской армии. В Померанском походе 1712 г. командовал соединенной русской, датской и саксонской артиллерией.
Спустя пять лет, 15 декабря 1717 г., будучи уже в звании сенатора, Брюс был назначен президентом Берги Мануфактур-коллегий, а в марте 1718 г. выезжал вместе с А. И. Остерманом на мирные переговоры со Швецией, проходившие на Аландских островах. На Аландском, а позднее Ништадтском мирных конгрессах Брюс проявил настойчивость и дипломатические способности, которые и привели к заключению 30 августа 1721 г. Ништадтского мира, завершившего многолетнюю Северную войну. За Россией осталась Лифляндия, Эстляндия, Ингерманландия, часть Карелии с Выборгом, Рига, Ревель, Дерпт, Нарва и еще несколько городов. Петр I писал своим министрам: «Трактат, вами заключенный, столь искусно составлен, что и Мне самому не можно бы лучше оного написать… Славное сие в свете дело ваше останется навсегда незабвенным; никогда паша Россия такого полезного мира не получала!» За подписание Ништадтского мира Яков Вилимович Брюс возведен Петром I в графское достоинство Российского государства.
В последние годы царствования Петра I, сложив с себя звание президента Мануфактур-коллегии, Брюс стал все свое время уделять делам Берг-коллегии и артиллерии. Одно время занимался Монетным и Денежным дворами, приняв также по велению Петра под свое руководство «все крепости и обретающихся в них служителей и имущества».
С восшествием на императорский престол Екатерины I в 1725 г. в числе высших сановников государства Брюс был награжден орденом св. Александра Невского, но уже в следующем году не был включен в число членов образованного Верховного тайного совета. В поданной императрице «Записке о состоянии России» генерал-прокурор П. И. Ягужинский указал в статье о генерал-фельдцейхмейстере, что «немалый апартамент в государстве артиллерия, и генерал-фельдцейхмейстер уже весьма ослабел». Самолюбивый Брюс немедленно подал в отставку и 4 июня 1726 г. был уволен со службы с производством при отставке в чин генерал-фельдмаршала. Через несколько дней уехал из Санкт-Петербурга и поселился в одном из своих поместий — деревне Глинки Богородского уезда, в 42 верстах от Москвы, где и был впоследствии похоронен.
