В 1711 году царь Петр I предпринял против Турции военный поход, получивший в истории название Прутский. Приход русских войск в Молдавию был встречен местным населением с великой радостью, а молдавский господарь всячески содействовал победе русского оружия. Но в июле войско царя Петра проиграло туркам сражение. Русская армия отступила, и вместе с ней покинул Молдавию и Дмитрий Кантемир с семьей. Несмотря на требования султана, Петр I не выдал туркам бывшего молдавского господаря. Царь подтвердил княжеское достоинство Кантемира с титулом светлейший, наградил его поместьями на Украине и сделал своим советником по восточным вопросам.
Дмитрий Константинович тяжело переживал крушение своих планов, да еще к ним прибавились и личные несчастья. Вскоре после переезда в Россию умерли два его сына – младенцы Петр и Иван, а затем скончалась и жена Кассандра. Она заболела лихорадкой, а «неискусство лекаря сделало смертельной (болезнь), чрез данное ей весьма сильное лекарство».
Семья Кантемиров покидает Украину и обосновывается в Москве. Будучи по делам службы в Петербурге, Дмитрий Константинович встречает там княжну Анастасию Трубецкую, которой вскоре делает предложение. Свадьба состоялась в 1719 году, а царь Петр принял самое деятельное участие в этом событии.
В 1722 году Дмитрий Кантемир участвовал в Персидском походе, во время которого управлял походной канцелярией Петра I. Уже в начале похода он почувствовал себя больным, и вскоре его здоровье настолько ухудшилось, что он был отправлен обратно. По дороге домой Дмитрий Константинович оставил завещание. В марте 1723 года он прибыл в свое курское поместье Дмитровку, а в августе того же года он скончался. Похоронили Дмитрия Кантемира в усыпальнице в Никольском Греческом монастыре рядом с первой женой.
Род Дмитрия Константиновича Кантемира пресекся во втором колене. Его сыновья не оставили после себя потомства. Последним из сыновей Дмитрия остался Сергей, который, похоронив всех родных, проживал в Москве до 1780 года. Правда, в России оставались еще племянники Дмитрия Константиновича, одним из которых был Константин Антиохович Кантемир – генерал-поручик русской военной службы. Последним в роду Кантемиров стал его сын Дмитрий, скончавшийся в Киеве в 1820 году бездетным.
Из детей Дмитрия Константиновича Кантемира самым знаменитым в России стал Антиох, прославившийся как поэт-сатирик и дипломат. Он родился в Стамбуле 21 сентября 1708 года и был младшим сыном в семье. В следующем году семья переезжает в Молдавию, так как отец становится молдавским господарем. А с 1711 года Кантемиры живут в России, спасаясь от мести турецкого султана.