同治四年(1865年)，徐继畬再次被诏入京城，担任通商衙门行走，成为中国历史上第一任主管对外通商的官员。同治六年(1867年)，徐继畬又担任总理各国事务衙门行走，兼总理同文馆事务大臣。同治八年(1869年)三月，徐继畬以老病告归，十二年(1874年)卒于家乡，享年七十九岁。曾任山西巡抚的曾国荃(曾国藩之弟)为徐继畬撰写了墓志铭。