成年之后，他结合学习唐以前十三代史书，研究历代兴亡的历史经验。看到唐敬宗大修宫殿，生活荒淫、不重朝政的情形，就写下了《阿房宫赋》这篇名作，假借秦始皇修阿房宫的事情来讽刺唐敬宗，希望皇帝接受秦灭亡的教训。这个时期，他努力练习写作，在诗、赋和古文创作上逐渐出名。
唐文宗大和二年(828)，杜牧参加进士科考试，中第五名；当年，他又参加贤良方正直言极谏科的考试及第，被授弘文馆校书郎之职。兼试左武卫兵曹参军。不久，他到江西观察使沈传师府中充幕僚，后又随沈到宣歙观察使任上，前后约4年时间。大和七年(833)，杜牧到淮南节度使牛僧孺幕府中任掌书记，受到牛的器重。大和九年(835)，朝廷任命他为监察御史。文宗开成三年(937)，他转任左补阙、史馆修撰。
841年，唐武宗即位，任用李德裕为宰相。杜牧是一位胸怀政治抱负的爱国者，他非常关心国家的政治形势。当时的唐朝廷中，形成了牛僧孺、李德裕两大对立的政治派别。因为杜牧曾作过牛僧孺的幕僚，就被李德裕视作牛党成员加以排斥。会昌二年(842)，杜牧调任黄州刺史(治所在今湖北黄冈县)，后转任池州刺史(治所在今安徽贵池县)。他虽然受到李德裕的排挤，但他以国事为重，关注国家抵抗回鹘入侵和征讨藩镇分裂的战争。他在黄州任上两次向李德裕上书，进呈了他写的《战论》和《守论》两篇军事著作，陈述了用兵策略，提出了防御和抵抗外敌入侵、巩固边防的具体措施。李德裕也采纳了他的一部分意见，但并不打算重用他。杜牧对牛李党争给自己带来的影响很不平，他明知自己仕途受挫是因为刚正不阿，不善逢迎，但他却不肯因此而改变节操，也并不为此而后悔。
杜牧虽出身于官宦贵族世家，但他本人富有正义感，对广大劳苦人民怀有丰富的感情。他在担任刺史的七年时间中，直接处理民事，实施了一些有利于人民的措施。他取消了黄州府衙的官员逢年过节向人民索取酒肉蔬果的陋规，减轻了人民的负担；他严禁属下巧立名目，加派赋税徭役；他奖励奉公守法的官员，惩处苦害百姓的恶吏；平均徭役，亲自检查服劳役者名册；详察案件，避免发生冤情。杜牧曾写过“太守政如水，长官贪似狼”的诗句，可以看出他憎恨贪官污吏，同情劳苦大众的思想感情。
会昌六年(846)三月，宣宗皇帝即位，立即罢了李德裕的宰相职，擢用白敏中任宰相。大中二年(848)，杜牧被召回京城，在朝中任司勋员外郎。大中三年，他完成了《孙子兵法》注释。这是他20年研究兵法战策的成果。大中四年，白敏中受排挤罢相，杜牧自己请求外任，被调为湖州刺史(治所在今浙江吴兴)。他在湖州任职一年，第二年又被召回朝，任考功郎中、知制诰。大中六年(852)，升任中书舍人。大中七年(853)，杜牧因病去世，终年50岁。他临死前，整理了自己一生的诗文稿，毁掉了一部分。他死后，他的外甥裴延翰将杜牧留下的450篇诗文编为《樊川文集》。
杜牧是晚唐时期负有盛名的一位文学家，兼长诗歌与散文，以诗歌方面的成就出名。他先后在洛阳、宣州、扬州、黄州、睦州、池州、湖州等地任职期间，游历了许多名山大川，广泛接触了社会各个阶层；他几次担任朝官，身历政治派别斗争，又担任过为皇帝起草诏令的机要职务，了解朝廷的政治风云变幻。因此，他写的论文多与国家的政治军事形势密切相关。他在淮南任上写的《原十六卫》、《罪言》等文，极力主张削平蕃镇割据，保持国家的统一和安定。在他写的一部分讽谏诗中，更直接地抒发了自己的爱国热忱，感叹内忧外患给人民带来的灾难。如他的《感怀诗》写道：“狄夷日开张，黎元愈憔悴，邈矣远太平，萧然尽烦费!”批评了牛僧孺等一帮大臣们无所作为的“守邦之论”。他在给李德裕的上书中慷慨写道：“臣实有良策，彼可徐鞭笞，如蒙一召议，食肉寝其皮。”充分表达了他关心国家安危，要求上前线抗敌的豪情壮志。另如《河湟》、《郡斋独酌》、《泊秦淮》、《题村舍》、《早雁》等，也流露出杜牧忧国忧民的情怀。
杜牧的诗歌题材较广，除上述有关感叹国事的讽喻诗之外，还有抒发生活情怀的抒情诗，有描写自然风光的游记诗，也有追怀历史的咏史诗。其中以抒情写景的七言绝句最有名。如《山行》、《寄扬州韩绰判官》等。他的诗多含爽朗俊逸之气，许多脍炙人口的名句古今为人传诵。当然，由于杜牧出身于世宦之家，贵族公子的生活习气有明显的烙印。当他在扬州等地任幕府吏期间，生活悠闲而无聊，白天办完公事，晚上沉醉于灯红酒绿之中，生活上放浪不羁，也写了一些“缘情绮靡”之作。他有“十年一觉扬州梦，赢得青楼薄幸名”的诗句，就是对他这一段消极生活的追悔。但总的来说，杜牧是一位卓有成就的诗人，尤其是他的爱国热情，是唐代其他诗人不能相比的。他的文学作品是中国古代文化宝库中的一笔宝贵的遗产。
年谱
长庆二年（822年），杜牧20岁时，博通经史，尤其专注于治乱与军事。杜牧23岁作出《阿房宫赋》。25岁时，杜牧又写下了长篇五言古诗《感怀诗》，表达他对藩镇问题的见解。此时的杜牧已经很有名气，作品流传。大和二年（828年），杜牧26岁，进士及第。同年考中贤良方正直言极谏科，被授弘文馆校书郎、试左武卫兵曹参军。
大和七年（833年），杜牧被淮南节度使牛僧孺授予推官一职，后转为掌书记，负责节度使府的公文往来。京衔是监察御史里行。这时杜牧居住在扬州，特别喜欢宴游。
大和九年（835年），杜牧33岁，被朝廷征为监察御史，赴长安任职，分司东都。八月在东都洛阳上任。因此逃过了十一月的甘露之变的险恶风波。在这里他遇到了宣州市的故人张好好，写下了著名的《张好好诗》。在洛阳期间，由于职务清闲，他四处凭吊古迹，写下了不少诗篇。
开成二年（838年），杜牧入宣徽观察使崔郸的幕下，被召为宣州团练判官。
开成四年（839年），年底杜牧离开宣州，去长安任左补阙、史馆修撰。开成五年，杜牧升官为膳部员外郎。
会昌元年（841年），杜牧调任比部员外郎。
会昌二年（842年），外放为黄州刺史。杜牧外放的原因史书上并无记载，杜牧自己认为是宰相李德裕的排挤。而李杜两家为世交，李德裕为何不喜欢杜牧，有人认为是杜牧为人倜傥，不拘小节，与李德裕的理念不合；而且牛李党争，杜牧与牛僧孺私交甚好，可能被李德裕认为是牛党。后杜牧任池州、睦州刺史。为政能兴利除弊，关心人民。
会昌四年九月（844年9月)，杜牧迁池州刺史，这年四十二岁。池州治所秋浦县(今安徽贵池)。
会昌五年（845年)，七月，武宗下诏禁毁佛教。杜牧对于这一措施是很赞同的，后来他在宣宗大中年间作《杭州新造南亭子记》，详细叙述武宗禁毁佛教事。
宣宗大中二年（848年），得宰柏周墀的帮助，入为司勋员外郎、史馆修撰，转吏部员外郎。
大中三年（849年），就因为京官俸禄低，而难以养家请求外放杭州刺史，但是没有批准。
大中四年（850年），他被升为吏部员外郎。但是杜牧仍然多次请求外放湖州刺史，连上三启，终于应允了他的要求。但是也有人认为，杜牧请求外放并不仅仅是经济原因，而是不满意朝政，认为自己无法在朝中有所作为。同年秋天，杜牧到任湖州刺史。他在湖州凭吊前贤，结识诗友，作了不少诗。一年后，他又被内升为考功郎中、知制诰。到长安第二年，迁中书舍人。这段时期，杜牧重新整修了祖上的樊川别墅，并且闲暇之时经常在这里以文会友。
宣宗大中六年（852年），冬天病重逝世。