Брюс занимается решением многочисленных вопросов, связанных с организацией поиска руд и их экспертизы, отводом земли под заводы и рудники, обеспечением их рабочей силой, приглашением на российскую службу иностранных мастеров, выполнением обязательств промышленности перед казной, разбором жалоб владельцев предприятий и рабочих.
В 1718 году Петр I отправляет сенатора Брюса первым министром на Аланский конгресс для переговоров о мире со Швецией. Смерть шведского короля Карла XII прерывает переговорный процесс.
С февраля 1720 года забот прибавляется: Брюс возглавляет Монетный и Денежный дворы, а в сентябре участвует в осуществлении денежной реформы, активно занимается делами строящегося в Петербурге порохового завода. В феврале 1720 года под начало Брюса передан первый пороховой мастер Шмидт, а через несколько месяцев Брюс составляет рецепт лучшего, чем у Шмидта, пороха.
В мае 1720 года Брюс становится генерал-директором над фортификациями и принимает в свое ведение «все крепости и в них обретающихся артиллерийских служителей и артиллерию, амуницию, цейхгаузы и прочее, что к артиллерии принадлежит».
В 1721 году возобновляются мирные переговоры со Швецией. В. Н. Татищев утверждал, что Петр I, желая придать Брюсу больше значительности на переговорах, намеревался сделать его действительным тайным советником (это второй после канцлера чин в «Табели о рангах»). Но честный и щепетильный Брюс отказался и «сам его величеству представлял, что, хотя он подданной, но иноверец, оный чин ему неприличен и может впредь его величеству подать причину к сожалению». На переговорах дипломатический дуэт Брюса с А. И. Остерманом весьма энергично отстоял интересы России. По условиям Ништадтского мира к России отошли Лифляндия, Эстляндия, Ингерманландия, часть Карелии и Моонзундские острова. Благодарный Петр, взволнованно писал в ответном послании: «Трактат, вами заключенный, столь искусно составлен, что и Мне самому не можно бы лучше оного написать для подписи господ шведов. Славное сие в свете дело ваше останется навсегда незабвенным; никогда наша Россия такого полезного мира не получала! Правда, долго ждали, да дождались: за все да будет Богу, всех благ виновнику…» За дипломатические успехи Брюс получил титул графа Российской империи и поместье в 500 крестьянских дворов.
Брюс был не только верным исполнителем державных замыслов Петра, но и принимал деятельное участие в его семейных делах. В свое время Петр поручил Якову Вилимовичу регулярно посещать царевича Алексея, очевидно, надеясь, что беседы умного и широко образованного человека повлияют на непутевого наследника. При дворе царевича состояла и супруга Брюса Мария (Марфа) Андреевна. Характерно, что под смертным приговором Алексею Брюс свою подпись не поставил.