El 28 de julio de 1791 Betancourt inicia su viaje de regreso a España. Aprovecha para hacer escala en Lyon y examinar sus manufacturas, para ver la posibilidad de instalar en Barcelona una draga de su invención y para hacer un reconocimiento de las industrias y caminos de Valencia. Al poco de llegar a Madrid en noviembre es ascendido a capitán de las milicias insulares del regimiento de La Orotava.
Producto de la actividad del equipo de Betancourt fue la formidable colección de doscientos setenta modelos de máquinas, trescientos cincuenta y nueve planos y noventa y nueve memorias traídas desde París a Madrid en cuarenta y dos grandes cajones, en 1791, y que contenían la información sobre la ingeniería más vanguardista de la época en Europa. [Ver una parte de una carta escrita a medias con su hermano desde Madrid a su padre de 26 de octubre de 1891: Carta 14].
A finales de enero de 1792 es nombrado capitán del Regimiento de Garachico y empieza a asistir asiduamente a las sesiones de la Academia de San Fernando. También es nombrado poco después caballero de la Orden de Santiago. [Ver el árbol genealógico de Betancourt presentado para ascender en la nobleza].
Se abre el 1 de abril al público el Real Gabinete de Máquinas del Buen Retiro de Madrid, y Betancourt presenta su Catálogo de la Colección de Modelos, Planos y Manuscritos que de orden del Primer Secretario de Estado ha recogido en Francia Don Agustín de Betancourt y Molina.
En el verano es elegido para formar una comisión de la Academia para la mejora de la enseñanza, junto con otras personalidades como el pintor Goya, que le hará un retrato por estas fechas. Una draga de su invención, que más tarde utilizará en el puerto ruso de Kronstadt, es presentada por Betancourt para limpiar los puertos de Cádiz y Cartagena, pero es desestimada por ser demasiado potente.
El 14 de octubre es nombrado director del Gabinete de Máquinas, aunque durante su ausencia será López de Peñalver y otros quienes se hagan cargo de la dirección del organismo.
En marzo de 1793 Betancourt presenta a la Academia de San Fernando unos modelos hechos de madera e hilos para explicar algunos teoremas y leyes matemáticas de la perspectiva, también lleva a cabo demostraciones con un aparato de su invención para dibujar paisajes y objetos con un ocular sincronizado con un lápiz.
Godoy visitará el Gabinete de Máquinas en julio. Betancourt que no acaba de encontrarse a gusto en España decide marchar a Inglaterra, dado que Francia aún está en plena Revolución. Mandará a su mujer e hijas a Londres en agosto y él se irá en octubre. Recibe una pensión añadida a su cargo para reunir máquinas en Inglaterra para el Gabinete y desarrollar sus inventos. [Ver carta a sus padres -con la orden del Duque de Alcudia (Godoy)- de 27 de febrero de 1793: Carta 15].
