ภายหลังการเสียกรุงศรีอยุธยาให้แก่พม่าแล้ว สมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราชทรงปราบดาภิเษกขึ้นเป็นพระมหากษัตริย์และย้ายราชธานีมายังกรุงธนบุรี ในขณะนั้นพระองค์มีพระชนมายุได้ 32 พรรษาและได้เข้าถวายตัวรับราชการในแผ่นดินสมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราชตามคำ ชักชวนของพระมหามนตรี (บุญมา) (ต่อมา คือ สมเด็จพระบวรราชเจ้ามหาสุรสิงหนาท) โดยทรงได้รับพระกรุณาโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งให้เป็น "พระราชริน (พระราชวรินทร์)" เจ้ากรมพระตำรวจนอกขวา และทรงย้ายนิวาสสถานมาอยู่ที่บริเวณวัดบางหว้าใหญ่ (วัดระฆังโฆสิตารามวรมหาวิหาร ในปัจจุบัน) ในปี พ.ศ. 2311 สมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราชเสด็จขึ้นไปตีเมืองพิมายซึ่งมีกรมหมื่นเทพพิพิธเป็น เจ้าเมืองพิมายอยู่ พระองค์และพระมหามนตรีได้รับพระราชโองการให้ยกทัพร่วมในศึกครั้งนี้ด้วย หลังจากการศึกในครั้งนี้ พระองค์ทรงได้รับการเลื่อนบรรดาศักดิ์เป็น "พระยาอไภยรณฤทธิ์" จางวางพระตำรวจฝ่ายขวา เพื่อเป็นการปูนบำเหน็จที่มีความชอบในการสงครามครั้งนี้

หลังจากสมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราชยกทัพขึ้นไปปราบเจ้าพระฝางสำเร็จแล้ว ทรงมีพระราชดำริว่าเจ้าพระยาจักรีแขก นั้นมิแกล้วกล้าในการสงคราม ดังนั้น จึงโปรดตั้งพระองค์ขึ้นเป็น "พระยายมราช" เสนาธิบดีกรมพระนครบาล โดยให้ว่าราชการที่สมุหนายกด้วย เมื่อเจ้าพระยาจักรีแขกถึงแก่กรรมแล้ว พระองค์จึงได้รับการโปรดเกล้าฯ ให้เลื่อนบรรดาศักดิ์เป็น "เจ้าพระยาจักรี" อัครมหาเสนากรมมหาดไทย พร้อมทั้งโปรดให้เป็นแม่ทัพเพื่อไปตีกรุงกัมพูชา โดยสามารถตีเมืองพระตะบอง เมืองโพธิสัตว์ เมืองบริบูรณ์ และเมืองพุทไธเพชร (เมืองบันทายมาศ) ได้ เมื่อสิ้นสงครามสมเด็จพระเจ้าตากสินทรงโปรดให้นักองค์รามาธิบดีไป ครองเมืองพุทไธเพชรให้เป็นใหญ่ในกรุงกัมพูชา และมีพระดำรัสให้เจ้าพระยาจักรีและพระยาโกษาธิบดีอยู่ช่วยราชการที่เมืองพุ ทไธเพชรจนกว่าเหตุการณ์จะสงบราบคาบก่อน

พระองค์เป็นแม่ทัพทำราชการสงครามกับพม่า เขมรและลาว จนมีความชอบในราชการมากมาย ดังนั้น จึงได้รับการเลื่อนบรรดาศักดิ์เป็น "สมเด็จเจ้าพระยามหากษัตริย์ศึก พิฤกมหิมา ทุกนัครระอาเดช นเรศรราชสุริยวงษ์ องค์อรรคบาทมุลิกากร บวรรัตนบรินายก" และทรงได้รับพระราชทานให้ทรงเสลี่ยงงากลั้นกลดและมีเครื่องยศเสมอยศเจ้าต่างกรม

เมื่อถึงปี พ.ศ. 2325 ได้เกิดจลาจลขึ้นในกรุงธนบุรี คือ พระยาสรรค์ ได้ตั้งตัวเป็นกบฎ ขณะนั้นพระองค์ท่านเป็น สมเด็จเจ้าพระยามหากษัตริย์ศึก ได้เสด็จกลับจากกัมพูชา มาที่ กรุงธนบุรี แล้วปราบปรามกบฎและนำสมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราชไปสำเร็จโทษ เหตุเพราะทรงมีพระสติวิปลาส จึงให้นำไปสำเร็จโทษด้วยการตัดพระเศียร สมัยกรุงธนบุรีจึงสิ้นสุดลงในที่สุด