Ο Αλή Πασάς των Ιωαννίνων προσπάθησε να καταλάβει την Λευκάδα (Αγία Μαύρα). Η Ιόνιος πολιτεία διόρισε τον Καποδίστρια στις 2 Ιουνίου 1807 ως έκτακτο στρατιωτικό διοικητή της Αγίας Μαύρας. Αποδεχόμενος την πρόταση δήλωσε: «Αἰσθάνομαι ὅτι αἱ δυνάμεις μου εἶναι ἀπεριορίστως κατώτεραι τῆς ὑπηρεσίας εἰς τὴν ὁποίαν ἐκλήθην. Δὲν θὰ παραλείψω ἐν τούτοις νὰ ἀσχοληθῶ μετ’ ἀκραιφνοῦς ζήλου καὶ μετὰ δραστηριότητος εἰς τὸ νὰ ἀνταποκριθῶ, τοὐλάχιστον κατὰ τὴν πρόθεσιν, ἐάν ὄχι διὰ τοῦ ἔργου, εἰς τὴν ἐμπιστοσύνην δι’ ἤς μὲ τιμᾷ ἡ Ἐξοχωτάτη Γερουσία μετὰ γενναιοφροσύνης.»

Έφτασε στην Λευκάδα τον Ιούνιο του 1807. Πρώτο μέλημά του ήταν η οργάνωση της άμυνας από στερεά και θάλασσα. Η Λευκάδα χωριζόταν από την ηπειρωτική Ελλάδα από μία αβαθή τάφρο. Εύκολα θα μπορούσε να επιχωματωθεί και να καταληφθεί το νησί. Η τάφρος διανοίχτηκε και τοποθετήθηκαν τρία πυροβολοστάσια για την προάσπισή της. Κάλεσε όλο το λαό να βοηθήσει στο έργο αυτό και δεν δίστασε να εργαστεί και ο ίδιος ώστε να εμπνεύσει και να εμψυχώσει τους Λευκαδίτες. Περιγράφει ό ίδιος στην έκθεση του προς την Γερουσία: «Ἠ ἐναρξις τῆς ἐργασίας τὴν 7ην τρέχοντος μὲ εὗρεν εἰς τὴν ἐξοχὴν, εἰς τὰς ἀλυκάς. Μετὰ τὴν συγκέντρωσιν ἐξακοσίων ἐργατῶν ἐκ τῆς νήσου καὶ ἐκ τῆς πόλεως, ἄνευ τινὸς ἐξαιρέσεως, ὡμίλησα εἰς τοῦτο τὸ πλῆθος. Πάντες, πλήρεις τοῦ πλέον εὐγενοῦς ἐνθουσιασμοῦ, ἔλαβον ἀνὰ χεῖρας τὰ ἀγροτικὰ ἐργαλεῖα καὶ ἤλθον εἰς τὴν περιοχὴν τῆς ἐργασίας. Ἐγὼ ὁ ἴδιος, οἱ ἀναπληρωταί μου, πολλοὶ ἱερεῖς, ἤλθομεν, διὰ νὰ δείξωμεν τὸ παράδειγμα εἰς τοῦτο τὸ πλῆθος τοῦ κόσμου, πρῶτοι εἰργάσθημεν κύπτοντες ἐπὶ τῆς σκαπάνης καὶ τοῦ λίσγου.»

Αφού τελείωσε με την οργάνωση της άμυνας από την ξηρά οργάνωσε και την άμυνα από την θάλασσα. Μίσθωσε πλοία από Κεφαλονίτες πλοιάρχους φοβούμενος μία συνεργασία του Γαλλικού ναυτικού με τον Αλή πασά. Ο Αλή πασάς τελικά βλέποντας την οργανωμένη άμυνα και έχοντας την απειλή των ηπειρωτικών στρατιωτικών σωμάτων στα μετόπισθεν του στρατού του, αποχώρησε. Ο Καποδίστριας έδειξε έτσι ότι δεν ήταν μόνο διπλωμάτης και έξοχος πολιτικός αλλά διέθετε οργανωτικά και στρατιωτικά προσόντα.

Κάλεσε σε συνεργασία πολλούς οπλαρχηγούς, όπως τον Αντώνη Κατσαντώνη, τον Κίτσο Μπότσαρη, τον Λάμπρο Τζαβέλα, τον Γρίβα, τον Βαρνακιώτη, τον Μπουκουβάλα κ.ά. Λέγεται ότι εκεί γνώρισε για πρώτη φορά και τον Θεόδωρο Κολοκοτρώνη. Ο Αριστοτέλης Βαλαωρίτης αναφέρει χαρακτηριστικά: «Το μεγαλύτερον, το θαυμαστότερον, το ελληνικώτερον κατόρθωμα του αειμνήστου Καποδιστρίου υπήρξεν η εν Λευκάδι συγκέντρωσις όλων των ενδοξωτέρων καπετανάτων της Ρούμελης προς υπεράσπισιν της κινδυνευούσης Λευκάδος, και ο αδελφικός σύνδεσμος, όστις προέκυψεν εκ της συγκεντρώσεως ταύτης μεταξύ των σημαντικωτέρων οπλαρχηγών της δουλωμένης Ελλάδος. Οι κλέφται μεταμορφώθησαν εις κλεφτουριάν, δηλαδή απέβαλον την ιδέαν της ατομικής κεχωρισμένης κατά των εχθρών αντιδράσεως και συνησπίσθησαν και συνετάχθησαν υπό την αρχηγίαν του Κατζαντώνη εις στρατόν εθνικόν, εν και μόνον σύνθημα, άσπονδον κατά των τυράννων της πατρίδος πόλεμον, ένα και μόνον σκοπόν επιδιώκοντα, την απελευθέρωσιν της βασανιζομένης μητρός των».

Στο μεταξύ οι Ρώσοι ηττήθηκαν από τον Ναπολέοντα, σύναψαν ανακωχή μαζί του και υπέγραψαν τη συνθήκη του Τιλσίτ στις 8 Ιουλίου του 1807. Τα Επτάνησα παραχωρήθηκαν στη Γαλλία και η Επτάνησος Πολιτεία καταργείται. Ο Καποδίστριας επέστρεψε πικραμένος στην Κέρκυρα.