En febrero de 1797 Betancourt regresa a Madrid y se dedica a la construcción de la línea telegráfica Madrid-Cádiz, ambicioso proyecto que quedaría limitado a cuatro estaciones entre Madrid y Aranjuez. En los años siguientes la actividad e influencia de Betancourt son considerables: adquiere de la Corona una fábrica de algodón en Ávila; consigue la reorganización de la Inspección General de Caminos y Canales, cuya dirección rechaza, y se encarga de rehabilitar obras hidráulicas, como el Canal de Castilla; inspecciona vías de comunicación y proyecta nuevas obras. La memoria titulada Noticia del estado actual de los caminos y canales de España, causa de sus atrasos y defectos, y medios de remediarlos en adelante refleja su labor en estos años.

Tras la rotura de una presa en Lorca, Betancourt propone tecnificar todas las obras públicas. Ello sólo era posible en el marco de una entidad estatal, la tan ansiada Escuela de Caminos.

Es una época ilusionante en la vida del ingeniero y él mismo se encarga de elaborar el plan de estudios y de buscar a los mejores profesores: reclama a Lanz, por entonces en París, como profesor de Matemáticas; y a los ex-miembros de su equipo Juan de Peñalver y José Chaix. La relación con Joseph Lanz fue especialmente fructífera, pues durante el magisterio del matemático mexicano, desde 1802 a 1805, ambos redactaron gran parte del Essai sur la composition des machines, el primer libro con un enfoque moderno sobre máquinas.

En ese momento se traducen y editan la Geometría descriptiva de Gaspar Monge, uno de sus maestros parisinos, y el Tratado de Mecánica elemental de L.B. Francoeur.

Tras la derrota de Trafalgar, el pesimismo invade España. Las desavenencias de Betancourt con Godoy son cada vez mayores, el país va cayendo poco a poco en la órbita napoleónica y el descontrol económico y administrativo es notorio, hasta el punto de que gran parte de los empleados de la Corona no cobran sus sueldos. Betancourt envía a su mujer e hijos a Francia a finales de 1806 y, cuando consigue vender la fábrica de Ávila, abandona España definitivamente en mayo de 1807 y se instala en Francia.