В то время Екатерина II, вступив на престол, готовилась осуществлять грандиозные политические планы. Ей был необходим боеспособный флот. В строю недоставало опытных моряков, их приглашали из-за границы. По поручению Императрицы посол в Англии С. Р. Воронцов подбирал офицеров-мореходов. Грейг принял приглашение и обратился с ходатайством в британское Адмиралтейство. Уже 7 мая 1764 года он получил разрешение поступить на русскую службу. Вскоре Грейг выехал в Россию. 18 июня появился указ о приеме на службу группы офицеров (трое из них были шотландцы). Грейга сразу, через два чина, произвели в капитаны 1-го ранга, но в кампанию 1764 года ему, как и другим иностранцам, для «скорейшего познания обрядов нашей службы», предстояло служить волонтером на эскадре адмирала А. И. Полянского. На подлиннике указа об этом Екатерина II собственноручно приписала: «Старшинством считать капитана Грейга с 20 марта… 1764 года».

В 1764 году дублером командира единственного российского 100-пушечного корабля «Святой Дмитрий Ростовский» в эскадре адмирала А. И. Полянского, следующим летом командиром фрегата «Святой Сергий» в эскадре адмирала С. И. Мордвинова Грейг ходил по Балтике. Именно с этого времени он начал вносить свой вклад в совершенствование Российского флота.

Моряк представил Адмиралтейств-коллегии новый способ вооружения военных судов, испытанный им на своем фрегате. Точнее сказать, Грейг не столько придумал нечто новое, сколько предложил ввести на корабли Российского флота то, что уже использовали в практике британского флота.

29 июля 1765 года Грейг докладывал коллегии о сделанных им на фрегате нововведениях. Шканцы удлинили от бизань-мачты к грот-мачте для лучшего расположения людей во время работы на судне. Снасти распределяли так, чтобы «одна от другой лежали свободно, дабы избежать замешательства, ежели случится, что все матросы сбегутся на один палуб, и снасти ходячие не лежали бы одна чрез другую и во время баталии для лучшего употребления мелкаго ружья».