下令将董仲舒逮捕入狱，定为死罪。后来，汉武帝冷静下来，想到董仲舒的学识与忠心，又觉得他的言论虽然尖锐，但也是出于对国家的担忧，于是下令赦免了他的死罪，将他贬为中大夫，留在京城，不再让他担任封国的国相。
被贬为中大夫后，董仲舒深知自己在朝堂上已难以施展抱负，便将更多的精力投入到学术研究与着书立说中。他在京城的家中开设讲堂，继续招收弟子，传授《公羊春秋》中的学问，许多官员和学者都慕名而来，他的学术影响力越来越大。
当时，汉武帝虽然没有正式颁布“罢黜百家，独尊儒术”的诏令，但在实际政治中，已经开始重用儒家学者，推行儒家政策。朝廷遇到重大的礼仪、制度问题，常常会派人向董仲舒咨询。《汉书·董仲舒传》记载：“朝廷如有大议，使使者及廷尉张汤就其家而问之，其对皆有明法。”
有一次，汉武帝因为立太子的问题犹豫不决，便派张汤去请教董仲舒。董仲舒建议汉武帝“立嫡以长”，遵循儒家的宗法制度，汉武帝采纳了他的建议，立刘据为太子。还有一次，匈奴派人来汉朝请求和亲，汉武帝召集大臣商议，有人主张攻打匈奴，有人主张和亲。汉武帝又派张汤去问董仲舒，董仲舒认为，匈奴“非我族类，其心必异”，但攻打匈奴会耗费大量的人力物力，百姓不堪其苦，不如采取和亲的方式，安抚匈奴，同时加强边境防御，这才是长久之计。
晚年的董仲舒，潜心着述，完成了《春秋繁露》一书。这部书是董仲舒思想的集大成之作，全书共十七卷，八十二篇，以《公羊春秋》为基础，融合了阴阳五行、黄老之学等思想，系统地阐述了“天人感应”“大一统”“三纲五常”等重要理论。书中既有对儒家经典的解读，也有对社会政治、伦理道德的探讨，内容丰富，思想深刻。
除了《春秋繁露》，董仲舒还着有《举贤良对策》《春秋决狱》等作品。《春秋决狱》是董仲舒用儒家思想来解释法律的着作，他主张“春秋之治狱，论心定罪”，即根据犯罪者的主观动机来判定罪责，这种思想对汉代的法律制度产生了深远的影响。
汉武帝太初元年（公元前104年），董仲舒在长安家中病逝，享年七十六岁。他去世后，汉武帝为了表彰他的功绩，下令将他的灵柩运回故乡广川安葬。据说，董仲舒的墓地选址十分特别，位于广川镇的高地上，墓地周围种植了许多松柏，远远望去，庄严肃穆。当地百姓为了纪念他，在墓地旁边修建了一座“董子祠”，常年供奉香火。
汉宣帝时期，儒家思想正式成为汉代的正统思想，此后历经两千多年，成为中国传统文化的重要组成部分。
