Mal soube da declaração de Independência do Brasil, renunciou à cadeira de deputado e demitiu-se do cargo de major, estimando mais alto o dever que o chamava à pátria, que as vantagens que auferia. E, não obstante o seu segundo casamento com D. Maria Nazaré de Carvalho, de família considerada de Lisboa, não hesitou em embarcar em junho de 1823 para o Brasil, onde não tinha assegurado qualquer meio de vida.

Este patriotismo foi recompensado pela acolhida cordial que Vilela Barbosa recebeu no Rio de Janeiro. D. Pedro, já proclamado imperador, não o acolheu menos favoravelmente e nomeou-o coronel. Em 1823, o príncipe confiou a ele a pasta da Marinha, na qual se manteve até 1827, depois de haver recebido os títulos de visconde e de marquês de Paranaguá e as dignidades de conselheiro de estado e senador.

Mais tarde, fez parte da comissão encarregada de elaborar a Constituição outorgada pelo imperador. Encontramos seu nome firmando esta Carta e no Tratado de 1825, pelo qual Portugal reconhecia a independência do Brasil.

Durante o reinado de D. Pedro I, Vilela Barbosa foi ainda duas vezes ministro da Marinha, uma das quais em 1831, pouco antes da abdicação do imperador, a quem sempre mostrou dedicação. Depois da maioridade, episódio em que o marquês de Paranaguá. desempenhou papel considerável, ocupou mais uma vez o ministério da Marinha, e, embora com a idade de setenta anos, conservou este posto até 1843, sem que a velhice lhe tivesse diminuido a espantosa atividade. Acrescentamos que sua lealdade e dedicação ao imperador não fraquejaram nem por um instante.