杜牧少負濟世經邦之誌，最喜論政談兵，自二十六歲入仕迄今十餘年，抱負未得施展，年已四十，出守遠郡，頗有抑鬱不平意，乃作《上李中丞書》及《郡齋獨酌》、《雪中書懷》諸詩以發抒之。
會昌三年(843)，四十一歲
為黃州刺史。上書於宰相李德裕，論澤潞兵事。德裕製置澤潞，頗采其言。杜牧守黃州一年餘，就己力所能及者，減除弊政。
會昌四年(844)，四十二歲
為黃州刺史。九月，遷池州刺史(池州又名池陽郡，治所秋浦縣，今安徽貴池)。上宰相李德裕書，論防禦回鶻事，德裕稱善。閏七月，從兄由淮南節度使入為尚書右仆射，兼門下侍郎、同平章事，仍判度支，充鹽鐵轉運等使。
會昌五年(845)，四十三歲
為池州刺史。上書宰相李德裕，論江賊事。張祜來池州，與杜牧唱和甚歡。九月九日，同遊齊山，並賦詩。五月，從兄罷為尚書右仆射，旋出為劍南東川節度使。
會昌六年(846)，四十四歲
為池州刺史。三月，武宗卒，皇太叔光王李忱即位，是為宣宗。四月，宰相李德裕罷為荊南節度使。九月，杜牧移睦州刺史(睦州又名新定郡，治所建德縣，今浙江建德)。乘船沿江東下，轉運河入浙。十二月經錢塘(今浙江杭州)。
宣宗大中元年(847)，四十五歲
為睦州刺史。
大中二年(848)，四十六歲
為睦州刺史。八月，內升為司勳員外郎，史館修撰。九月取道金陵、宋州赴京，十二月至長安。九月，貶李德裕為崖州司戶，至是德裕已四貶。十月，牛僧孺卒於東都。二月，從兄徙西川節度使。
大中三年(849)，四十七歲
為尚書司勳員外郎，史館修撰。因京官俸祿薄，不如刺史俸祿之厚，而杜牧須供養從兄與弟及李氏孀妹，故於閏十一月上書宰相求杭州刺史。時宰相為白敏中、崔鉉、魏扶。李商隱時在長安，作兩詩贈杜牧，致敬佩之意。杜牧以所著《孫子注》獻於宰相周墀。八月河隴收複後，老幼千餘人來長安，脫胡服，易漢服。宣宗登延喜門樓見之，皆舞蹈呼萬歲。杜牧親睹其盛，做詩歌頌。十二月，李德裕卒於崖州貶所。
大中四年(850)，四十八歲
轉吏部員外郎。夏，三上宰相啟，求湖州刺史。秋出為湖州刺史(湖州又名吳興郡，治所在吳程縣，今浙江湖州)。
大中五年(851)，四十九歲
為湖州刺史。三月，曾至顧渚(湖州屬縣長興西北)榮山督采茶，遊明月峽。秋，拜考功郎中，知製誥。罷郡得替後，曾遊玲瓏山，旋即赴京供職。到京後，以湖州錢修治長安城南樊川別墅，下直後，即招親友遊賞其間。二月，弟卒，年四十五。
大中六年(852)，五十歲
拜中書舍人。見溫庭筠詩，賞之。溫致書於杜牧，望其汲引。十一月患病，自撰墓誌銘。
大中七年(853)，五十一歲
病卒於長安安仁坊宅中。杜牧妻河東裴氏，郎州刺史偃之女，先杜牧卒。子四人，女一人。長子晦辭，官終淮南節度使判官。次子德祥，昭宗時為禮部侍郎。