北巡结束后，孝文帝积极进行迁都事宜。北魏国都平城地处边塞，距中原较远，且中间有崇山峻岭相阻隔，交通极不便利，而且“六月雨雪，风沙常起”。孝文帝拓拔宏决心改革，锐意汉化，认为平城“乃用武之地，非可文治”，必须迁都到中原汉文化集中地洛阳。但他深知，此事不可操之过急，否则“北人习常恋故，必将惊扰”。果然，南迁计划受到了多数贵族的强烈反对。尚书于粟的话其实是代表了整个既得利益集团的，他说：“臣非为代地（按指平城）为胜伊洛（按指洛阳）之美也。但自先帝以来，久居此地，百姓安之，一旦南迁，众情不乐。”但拓跋宏的态度却十分坚决，说：“吾方经营天下，有志混一，卿等儒生，不知大计。”为了达成目的，孝文帝精心制定这样一个策略，假南征之名，行迁都之实。一直以来，北魏南征刘宋屡遭挫折，导致北魏君臣闻南征色变。但是孝文帝拓跋宏知道，南征开拓疆土，名正言顺，臣民不敢公然反抗；若要迁都促进汉化，那些根基甚深的既得利益集团以及倒退势力必将颇多阻碍，力争到底。可是他们畏南征更甚于畏迁都，因此，孝文帝以南征为饵，实则以迁都为目的。果然，孝文帝提出南征南齐时，“群臣莫敢言”，唯任城王拓跋澄力执异议。事后，孝文帝召澄入宫，推心置腹，坦陈初衷，得到澄的支持。太和十七年（493年）七月，孝文帝率群臣及步骑三十万从平城出发南征，九月到达洛阳。当时“霖雨不止”，继续南征，北人不适气候，必取败亡，但孝文帝仍着戎装，乘马出城，于是群臣恐慌，大臣纷纷进言：“今者之举，天下所不愿！”孝文帝佯怒表示：“敢谏者斩！”等到定安王拓跋休等泣谏，孝文帝才道出真正目的：“如不南征，当迁都于此，王公以为何如？”于是群臣皆呼万岁，赞同后者，迁都之计始定。
迁都洛阳也开阔了郦道元的眼界，使其对中原地区能够亲自考察，掌握更多各地地理情况的原始资料。
北巡结束两个月后，494年10月，北魏国都正式从平城迁到了洛阳。
洛阳地处中原地区的中部，景色秀丽，历史悠久，是我国著名的文化古城。迁都后，为了巩固对于新的政治中心地区的统治，孝文帝一方面命大臣李冲、穆亮和董爵等人重新规划和扩建新都洛阳；另一方面，又在迁都三年以后，对黄河中游地区作了一次广泛的巡视，以期加强洛阳与旧部平城的联系和规划洛阳及其周围地区的水利设施。这次巡视，郦道元也有幸参与。
此次巡视，郦道元考察了吕梁山区和离石城西的一段黄河，勘察了平阳城附近的汾水和绛水流域及沿岸地形，游历了黄河的龙门渡口、茅津渡口、三门峡谷等等。他把这些统统写进了《水经注》中。
之后，郦道元的职务频繁变动，他的仕途虽不如其父那样坦荡，但凭着自己的能力也有多次升迁。从太尉掾开始，他历任治书侍御史、冀州镇东府长史、颍川以及鲁阳等郡守、东荆州刺史、河南尹、黄门侍郎、侍中兼摄行台尚书、御史中尉等职。后几项官职如河南尹、御史中尉等都是三品官，已经属于高级官吏了。他在山西、河南、河北等地做官时，经常乘工作之便和公余之暇，留意进行实地的地理考察和调查。黄河南岸、华北平原、阴山脚下、大青山篱、太行山区、秦岭谷地……到处都有他的足迹。凡是他走到的地方，他都尽力搜集当地有关的地理著作和地图，并根据图籍提供的情况，考察各地河流干道和支流的分布，以及河流流经地区的地理风貌。他或跋涉郊野，寻访古迹，追溯河流的源头；或走访乡老，采集民间歌谣、谚语、方言和传说，然后把自己的见闻，详细地记录下来。日积月累，他掌握了大量有关各地地理情况的原始资料。
（四）撰写《水经注》
郦道元一生既爱游历，又爱读书，并以此闻名于世。在日常生活中，书籍是他不可分离的伴侣。在青州的时候，在父亲的悉心指导下，郦道元阅读了大量儒家的典籍。回到平城，步入仕途后，郦道元常利用政务之余，阅读大量的书籍。其中精读过的有数百种，泛读过的更是不计其数。郦道元研读的书籍中地理方面的占有较大比重。西周、春秋时期已涉及地貌物候记载的《诗经》《周礼》《老子》；秦汉时期的地理著作如《山海经》《尚书·禹贡篇》《汉书·地理志》以及之后的《水经》，无一不涉猎，无一不精细研读。
郦道元读书非常严肃、认真，对书中的记载力求弄懂、弄通，对各书中记述同一地方而有出入的问题，更是着意探究其原因。每读一本书都要作夹注和札记，这个良好的习惯为他后来写《水经注》提供了可贵的素材，我们也从中了解到不少已失传的古籍及其内容片断。大量地读书，使他具有渊博的学识，成为当时有名的学者，为他后来的著述打下了夯实的基础。
郦道元生长于北魏强盛时期，孝文帝决心改革，锐意汉化，迁都洛阳，挥军南下。如此盛世明君时代，父辈的教育，加上目击当时举朝振奋，励精图治的蓬勃气象，孝文帝统一天下的抱负深深地影响着郦道元。正当郦道元期待着祖国统一时刻到来之际，孝文帝中道崩殂，国势一蹶不振，他眼看祖国统一遥遥无期，锦绣山河支离破碎。再加上对他“酷吏”构陷及二次免职等事件，使得郦道元摆脱人事纠纷，潜心著作以寄托他热爱祖国，渴望统一大业的胸怀。
经过晋末十六国的大动乱和各民族的大迁徙以后，各地行政区划几经变易，城邑交替，地理概念和名称发生了很大的变化，新旧地名混淆难辨。另外，千百年的沧桑巨变，江河、湖泊、植被、地貌也已大为改观，巨川变细流，农田变草原……
思及前人的地理名著，郦道元认为都有一定的缺陷。他在《水经注序》中指出：昔《大禹记》著山海，周而不备；《地理志》其所录，简而不周；《尚书》《本纪》与《职方》俱略；都赋所述，裁不宣意；《水经》虽粗缀津绪，又阙旁通。所谓各言其志，而罕能备其宣导都矣。
现有的地理文献很难适应新时期的需要，而新的地理著作却尚未诞生。因此，郦道元萌生了写一部全面、周详地反映全国地理状况的书籍的想法。
“因水以证地，即地以存右”，郦道元选择了为《水经》作注。
《水经》是我国古代记载河流的专著，其作者历来说法不一，一说晋郭璞撰，一说东汉桑钦撰，又说郭璞曾注桑钦撰的《水经》。其成书年代，诸家说法不一，全祖望认为是东汉初，戴震认为是三国时作品，今人钟凤年又认为是新莽时所作，诸说尚难确认，不过大体应为汉魏之作。《水经》分为三卷，记载了一百三十七条河流，仅一万来字。虽然粗缀律绪，又阙旁通，在写作方面却有其特点：河流水文较山脉、地质变化明显，界限分明；以水流为纲，以行进的方式记述流域内的郡县，条理清晰。
郦道元以《水经》所注水道为纲，着眼于《禹贡》所描写的历史上曾经出现过的版图广大的统一祖国，以属于全国的自然因素河流水系为基础，打破当时人为的政治疆界的限制，这充分体现了他希冀祖国的统一。
郦道元所载水体包括湖、淀、陂、泽、泉、渠、池、故渎等。今人赵永复查算达二千五百九十六条，这一数字不仅远远超过了《水经》原书及其他前代的地理著作，而且也是后世学者所难以企及的。注文达三十万字。涉及的地域范围，除了基本上以西汉王朝的疆域作为其撰写对象外，还涉及当时不少域外地区，包括今印度、中南半岛和朝鲜半岛若干地区，覆盖面积实属空前。其中很多地方他都从未踏足。所记述的时间幅度上起先秦，下至南北朝当代，上下约两千多年。它所包容的地理内容十分广泛，包括自然地理、人文地理、山川胜景、历史沿革、风俗习惯、人物掌故、神话故事等等，真可谓是我国6世纪的一部地理百科全书。难能可贵的是这么丰富多彩的内容并非单纯地罗列现象，而是系统地进行综合性的记述。侯仁之教授概括得最为贴切：“他赋予地理描写以时间的深度，又给予许多历史事件以具体的空间的真实感。”
（五）阴盘驿遇难
北魏后期，政治动乱，国势衰退。郦道元表现出了他在政治、军事上的卓越才干。
在试守鲁阳郡时，当地因“蛮人”居多，不立大学，他到任后，“表立黉序，崇劝学教”。诏曰：“鲁阳本以蛮人，不立大学。今可听之，以成良守文翁之化。”道元在郡，山蛮伏其威名，不敢为寇。
孝明帝时期，郦道元出任河南尹前后，六镇地区爆发了大规模的农民起义，震撼了北魏在北方的统治。这时孝明帝下诏任命郦道元为黄门侍郎，与都督（主管一方军事的将领）李祟一起前往六镇地区去储兵积粮，裁郡并县，并将六镇改为州。
孝明帝孝昌初年（525年），北魏东南边境形势吃紧，梁派将领攻扬州，北魏徐州刺史元法僧又起兵反叛，他盘踞徐州的治所彭城（今江苏省徐州市附近），自称宋王，并遣其子元景仲与梁武帝联络。南北皆动乱，北魏朝廷一片惊骇。孝明帝任命刚从六镇返回洛阳的老臣郦道元为节度南路诸军的统帅，兼侍中、摄行台尚书，去征讨元法僧。郦道元率军在涡阳（今安徽省蒙城县附近）击溃了梁军，并乘胜追击，多有斩获，进而直逼彭城，镇压了这次叛乱。
不久，郦道元被提升为御史中尉。此时的北魏已十分的腐败。为重振朝纲，郦道元以“威猛为政”，虽然能够使当地人“伏其威名，不敢为寇”“权豪始颇惮之”，但招致朝中权贵记恨。司州牧、汝南王元悦是孝文帝之子，孝明帝的叔叔，狂妄不羁，欺男霸女，朝中百官无不忌惮三分。他有一宠嬖之人丘念依仗其权势胡作非为。百姓们视元悦如虎，视丘念为狼。郦道元查知丘念把持州官的选任，将其逮捕入狱。元悦闻讯后，哀求灵太后下令赦免丘念。郦道元赶在赦令到之前，将丘念问斩。随后，向灵太后上书，告发元悦纵容、包庇丘念的罪行。灵太后对此气恼至极，却只能对郦道元的上书置之不理，元悦更是恨之入骨。
正好此时，从长安传来了肖宝夤将要谋反的消息。肖宝夤本是南齐王朝的宗室。南梁取代南齐时，他的兄弟都被梁武帝杀死，他只好连夜出逃，辗转流徙来到北魏。北魏王朝为了招降纳叛，立即给予他高官厚禄，并将南阳长公主嫁与他。之后他时时请兵南伐，屡有战功，官至相位。肖宝夤叛乱的迹象日趋明显。为了安定长安地区，孝明帝与众臣商议，决定派一名得力的大臣前往长安巡视安抚，打探虚实。元悦与另一“素忌”郦道元的侍中、城阳王元徵就鼓动朝廷派遣郦道元为关右大使，企图借刀杀人。果然萧宝夤以为郦道元去关中是为追查他的问题，更加疑虑、畏惧了，其僚佐柳楷劝诱肖宝夤趁机反判北魏，肖宝夤听从了柳楷的谗言，派遣部将郭子帙到阴盘驿（今陕西省临潼县东南）设下了埋伏。郦道元一行日夜兼程，进入雍州地界。路遇一高冈，其上建有一所驿亭，不料从冈后杀出郭子帙的人马，将郦道元等围困于阴盘驿亭。亭上没有水源，平日驿亭用水都是到冈下的井中汲取，然后担上山冈供人食用。既被围，郦道元只好下令挖井取水，掘地十来丈亦不得水，饥渴难耐，疲乏至极之际，郭子帙率军逾墙而入，郦道元面对敌人，“瞋目叱贼，厉声而死”，仍表现出刚直勇猛的气概。他的弟弟道阙及二子俱被杀害。肖宝夤遣其部下将郦道元等遗体运回长安，殡于长安城东。事后，朝廷追封郦道元为吏部尚书、冀州刺史、安定县男。
长空孤雁鸣，秦山鸟悲歌，在流星闪过之时，一代英豪就此陨落。
郦道元一生好学，历览奇书，撰注《水经》四十卷，《本志》十三篇，又为《七聘》及诸文皆行于世。除《水经注》外，其余皆散佚。