Il se signala au siège de Lens en 1552, à la défense de Metz contre Charles Quint en 1553, servit ensuite en Flandre et en Italie jusqu'à la trêve de Vaucelles (5 février 1556). Il fut fait colonel général de la cavalerie légère et continua de se distinguer durant les guerres de Religion contre les protestants. Il commanda les Suisses qui ramenèrent à Paris Charles IX, que les calvinistes avaient voulu enlever à Montceaux-les-Meaux.
En 1559, il fut l'ambassadeur du duc Emmanuel-Philibert de Savoie lors de son mariage avec Marguerite de Valois, fille de François Ier de France et de Claude de France, qui eut lieu à Paris le 10 juillet 1559.
En 1562-1563, il échoue devant Lyon tenue par Jean V de Parthenay pour le compte du parti Huguenot. L'édit de pacification du 19 mars 1563 réconcilie pour un temps les deux parties.
Après avoir pris part à la bataille de Saint-Denis en 1567, il fut chargé de s'opposer à l'entrée des troupes que le duc de Deux-Ponts envoyait aux vaincus. Il échoua dans cette expédition par la faute du duc d'Aumale, son rival, et se retira dans son duché de Genève, où il se livra à la culture des lettres et des arts. Le comté de Genève avait été érigé en duché en 1564.
Séducteur reconnu, Nemours fut également accaparé par plusieurs années de procès que lui fit une dame de haut lignage, Françoise de Rohan, qu'il avait mise enceinte et à laquelle il avait fait une promesse de mariage. Nemours épousa cependant en 1566 la veuve du duc de Guise, Anne d'Este, petite-fille du roi Louis XII. La reine de Navarre Jeanne d'Albret, parente des Rohan, avait vainement tenté d'empêcher le mariage. Le procès qui en résulta empoisonna la vie de Nemours et divertit la cour pendant toutes les guerres de religion. Il se termina sous Henri III par une solution, due au mathématicien François Viète, et qui satisfit toutes les parties.