出山行业开元五年(717),玄宗强行征诏一行入京,受到玄宗的特别款待。开元七年(719),印度高僧金刚智入京,一行追随其后,并施弟子之礼。又受金刚经诀,协助译经。开元九年(721),据李淳风的《麟德历》几次预报日食、月食的时间不准,玄宗命一行主持修编新历。从此,一行就开始专门从事天文历法的工作。开元十一年(723),为了测定星体位置的需要,一行与率府兵曹参军梁令瓒等人制成了黄道游仪、“水运浑天仪”。开元十二年(724),一行根据修改旧历的需要,又组织领导了我国古代第一次天文大地测量,也是一次史无前例、世界罕见的全国天文大地测量工作。开元十三年(725),善无畏来长安弘教,一行受胎藏法,在洛阳的大福先寺助善无畏共同翻译《大日经》七卷等,并著《大日经疏》二十卷,成为解释密宗理论的重要著作。又汇编经、律、论要文为《摄调伏藏》十卷(已佚)。一行与玄宗过从甚密,谈经论道,出入宫廷,同登寺阁。在京城的近十年中,一行一直在两京从事科学研究和宗教传播活动。玄宗览奏开元十五年(727)九月,禅师卧病不起。十月八日在长安华严寺圆寂,行年四十五岁,僧寿二十四。葬于铜人原。其过早谢世,玄宗痛悼,叹日:“禅师舍朕!”追赐其谥号为“大慧禅师”,并亲自为禅师撰写碑文《御制大慧禅师一行碑铭》:“长无暇日,日诵万文。深道极阴阳之妙,属辞尽春秋之美。”据《旧唐书·一行传》记玄宗“为一行制碑文,亲书于石,出内库钱五十万,为起塔于铜人之原。明年,幸温汤,过其塔前,又驻骑徘徊,令品官就塔以告其出豫之意,更赐绢五十匹,以莳塔前松柏焉”。可见朝野上下对僧一行非常敬仰。僧一行无传法弟子,法脉遂绝。