Этот брак еще прочнее привязал Вилима к России. После реставрации Стюартов в 1660 году возвращаться на родину он уже не захотел, остался на Руси и умер в 1680 году в чине генерал-майора. Дочь Вилима Брюса, Елизавета, впоследствии вышла замуж за полковника Джона Трейдона. Она умерла в 1694 году. Яков Брюс родился в Москве 1/11 мая 1669 года. Яков получил прекрасное домашнее образование (учителей, скорее всего, выписали из Европы) и увлекся математикой и естественными науками, за что впоследствии получил в народе прозвище «Брюс-арифметчик». Тут лежит одна из многочисленных загадок Брюсовой биографии. Неясно, где и как сын иностранного офицера сумел получить в Москве в 70—80-е годы XVII века такое блестящее образование, которое позволило ему затем овладеть глубокими познаниями в самых различных областях науки. Учтем также, что в возрасте 17 лет Яков Брюс уже поступил на военную службу и не мог далее получать систематическое образование. Тем не менее он овладел столь глубокими познаниями в самых различных областях науки, что смог на равных вести диалог с виднейшими представителями европейской науки. Нет никаких данных, что Брюс выезжал для учебы за границу, и такое кажется весьма маловероятным. Скорее всего, у него были хорошие домашние учителя, однако крайне сомнительно, чтобы они смогли дать ему такой уровень образования, который сразу же позволил бы ему в научных изысканиях встать вровень с последними достижениями естественных наук того времени. Остается предположить, что разгадка лежит в феноменальных способностях Брюса, особенно в сфере математики, физики и астрономии. Учитывая, что большую часть своей сознательной жизни ему пришлось провести в военных походах, в выполнении дипломатических поручений, а также в организации российской промышленности, наукой ему приходилось заниматься в основном в прикладных целях, для нужд артиллерии и промышленности, а также для изготовления инструментов для исследований. Остается только гадать, какие открытия в сфере фундаментальных наук совершил бы Брюс, если бы наука стала его основным и единственным занятием. Да и какие именно открытия он совершил, мы и сегодня не знаем толком, поскольку его зарубежная переписка и архив выявлены и изучены лишь в незначительной степени.
В службу Яков Брюс вступил в 1686 году корнетом (прапорщиком) кавалерии. Он участвовал в неудачных крымских походах князя Василия Васильевича Голицына в 1687 и 1689 годах в качестве инженерного офицера. За первый крымскией поход храбрый шотландец был награжден поместьем в 120 четвертей земли и деньгами в размере от 8 до 30 рублей, а за второй поход получил в награду поместье в 130 четвертей земли и 15 руб. денег. Во время стрелецкого бунта 1689 года Петр неожиданно уехал из Преображенского в Троице-Сергиеву лавру. Отрядом иноземцев, в котором служил поручиком Я. В. Брюс, командовал шотландец генерал Патрик Гордон. Прибытие в монастырь отряда Гордона состоялось 5 сентября 1689 года. Вероятно, в этот день Петр и познакомился с Брюсом. С тех пор и завязалась их дружба. Ей немало способствовало и то обстоятельство, что шотландец не уступал «герру Питеру» в пьянстве и разгуле. В 1692 году Брюс был назначен в Белгородский полк, которым командовал будущий фельдмаршал и граф Б. П. Шереметев.
Троице-Сергиева лавра. Вероятно, здесь 5 сентября 1689 года познакомились Петр и поручик Я. В. Брюс. С тех пор и завязалась их дружба
В 1693 году пожалованный в ротмистры (капитаны кавалерии) Яков Брюс сопровождал Петра в Архангельск, где царь закладывал первые верфи. А в январе 1695 года Петр произвел Брюса в чин майора, и тогда же, в январе 1695 года, Яков Вилимович женился. Его избранницей стала Маргарита фон Мантейфель (в России ее величали Мария или Марфа Андреевна), дочь генерала Цоге фон Мантейфеля, выходца из остзейских немцев. Посажёным отцом на свадьбе был сам царь.
В 1695 и 1696 годах Брюс участвовал в Азовских походах, завершившихся взятием турецкой крепости. Теперь он уже был морским капитаном и за храбрость при штурме Азова был пожалован чином полковника. Под Азовом погиб его младший брат Вилим. Во время осады Азова Брюс занимался составлением карты от Москвы до берегов Малой Азии, которая впоследствии была напечатана в Амстердаме. Брюс сопровождал Петра во время Великого посольства в Англию и Голландию. Он присоединился к царю в 1697 году в Амстердаме. В этом городе он также успел похлопотать об издании своей карты. 28 сентября в Москву отправляется послание, в котором на основании указа царя, «велено послать» в Голландию полковника Якова Брюса «для математической науки в англицком государстве». Перед отъездом в Москве с Яковом Вилимовичем произошел досадный инцидент: В доме князя-кесаря Ф. Ю. Ромодановского, начальника Преображенского приказа, ведавшего полицейским сыском, и правителя страны в отсутствие Петра, он получил сильный ожог руки и приехал в Амстердам только 19 декабря. Петр разгневался и написал Ромодановскому: