归国后的玄奘已46岁，距他玉华寺圆寂还有19年。这19年定居长安，译经为主，兼伴君王。先后在弘福寺译经4年，慈恩寺译经10年，玉华寺译经5年。取得了太宗、高宗两代皇帝对他的信任和对大唐佛教的支持。太宗皇帝两次劝他还俗，辅佐朝政，他不肯；太子李治奏请他出任大慈恩寺住持，他却欣然受命。他心在译场，志在山林，多次请求归隐少林寺译经，皇帝不允。因为他这时已是太宗手下的“法门领袖”，高宗时期的“佛门津梁”。作为大唐的一面旗帜，皇帝希望它飘扬在都城的上空。晚年的玄奘，自知来日不多，无常将至，避开都市的喧嚣，迁居玉华寺，集中5年时间译完最后一部大经《大般若经》，积劳成疾，病逝于今铜川市玉华山的玉华寺。太宗逝世前感叹与玄奘“相逢恨晚”，玄奘逝世后高宗大呼“朕失国宝”。
唐贞观十九年（645年）正月，房玄龄在长安城举行迎归大典之时，太宗皇帝李世民已去了洛阳。待迎归大典结束和文物展示完毕，已经到了645年正月底。玄奘带着太宗给他的“可即速来，与朕相见”的手谕，又赶往洛阳城见驾。
二月初一，太宗在洛阳行宫的仪鸾殿会见玄奘。这是君僧二人第一次会面。太子李治和国舅长孙无忌在陪。玄奘行跪拜礼，口称“吾皇万岁万岁万万岁”。太宗让座。礼毕，谈话涉及三个问题，为玄奘归国后的事业奠定了良好的开局。
第一个问题是关于私出边关的问题。太宗问道：“大师西天取经，其志可嘉，但当初朕怎么就不知道？”玄奘回道：“西行之前，曾再三上表，但人微言轻，始终没有得到批复的消息。因求法心切，乃辄私行，今虽归来，仍惴惴不安，专擅之罪，还望皇上宽恕。”太宗道：“朕并没有责怪之意。西行求法，利在苍生，朕很高兴，大师不必再为此事担心。”玄奘道：“谢皇上开恩。”
话题涉及的第二个问题是关于撰写《大唐西域记》的问题。太宗道：“朕这次召大师前来，很想知道西域诸国的情况。大唐开国之初，高祖曾向突厥称臣，朕深以为耻。现在大唐西部边境军事上的最大威胁来自突厥，所以朕很想知道西域诸国的情况。”玄奘听后，当即将西域见闻经历作了详细汇报，重点介绍了大唐西部边境的交通地理及西突厥控制之下的西域诸国的情况。
太宗观其形举止温雅，察其言分寸有度。向一旁就座的长孙无忌说：“以前北魏苻坚，称释道安为神奇，尊为国师，举朝敬仰。现在朕看奘师辞论典雅，风节贞峻，远在古人之上啊！”接着又对玄奘说：“大师所言，全是亲身经历，前史未能详载，国人鲜有耳闻，就连朕听来也十分新鲜。大师何不就此见闻经历，撰成一书，让天下后人皆能知晓？”
玄奘回道：“西域诸国，所到之处，都已留心记载，撰书之事容易，定当奉命完成。”
谈话涉及的第三个问题是归国后的去向问题。太宗心想，西域路途艰险，去者多，归者少，能顺利归来已属不易，更何况一个去异国他乡的僧人能在西天佛国取得巨大声誉，非有过人的胆识才学不能取得。而今国内汉梵皆通的人才缺乏，大唐与西域诸国的外交非常棘手。想到这里，便有心让玄奘还俗辅政。他向玄奘说：“大师如能脱去袈裟，参与国事，一定能建立不朽功业。”
玄奘道：“奘自幼出家，一心向佛。所学全是出世超脱之理，与入世之道相悖，恐无助于朝政。今皇上仁智之君，四海称颂，一人纪纲，万事自得其体。贫僧只能以弘扬佛学来报国恩。”
太宗见玄奘说得婉转恳切，便问归国后有什么打算。玄奘道：“贫僧从西域取来佛典六百余部，至今一言未译。听说嵩山之南，少室山之北，有座少林寺，泉石清幽，远离尘嚣。是后魏孝文帝所建，当年西域僧人普提流支译经之处，其地就在我的故乡附近。奘愿去那里为国译经，请皇上恩准。”
太宗道：“译经不一定非要去深山。”“大师去西域时，朕曾为穆太后建一寺院，就在京城，名叫弘福寺，禅院虚静。大师可在弘福寺译经，朕也可就近获益。译经所需，朝廷供给，所需助译人员，朕下令让左丞相房玄龄与你商议调遣。”玄奘称谢。
谈话从卯时至酉时，洛阳行宫的暮鼓响起，在旁的长孙无忌劝皇上歇息。因为各地兵马已齐集洛阳，明日皇上要出征辽东，讨伐高丽。太宗请玄奘同行，以便在军旅之中继续叙话。玄奘恐给皇上徒增累赘，便以佛门戒律，不宜观看血腥杀伐为由相辞。
太宗去了辽东之后，玄奘从洛阳返回长安，奉命住进弘福寺，全身心投入到译经工作。
三月，与房玄龄商议组建译场之事。四月，各地译经人才调齐，聚集弘福寺。有京城会昌寺辩机，弘福寺明浚，终南山丰德寺道宣，幽州照仁寺慧立等20余人，玄奘按主译、笔录、证梵语、梵文、整理勘正汉语文句等数十道工序进行了分工。自己担任译场主译。五月，译经开始，首译《大菩萨藏经》20卷。六月，译《显扬圣教论》20卷。七月，译《六门陀罗尼经》1卷。八月，译《佛地经》1卷。到次年正月，又译成《大乘阿毘达摩杂集论》16卷。撰成《大唐西域记》12卷。
玄奘的翻译方法与前代有很大不同。唐以前历朝译经，都是西域传经师担任主译，先将梵文经本的意思用梵文译出，再请能解梵语的中国僧人转梵为汉。玄奘由于梵汉皆通，又通晓经义，故能手持梵本，直接将梵文经本的经义译成流利的汉语。所以他的译场组织由口译者担任主译，直接将梵文经本用汉语口语译出。指定一人笔录口译的汉语，再由正文、正义者将笔录的汉语与梵文原本对照，校正译意与本意的出入，并确定推敲适当的汉语词汇，最后才是汉语经文的整理和通篇润色。
玄奘的这种译经方法，最大优点是避开了先前中国佛经直译的弊端。唐以前中国僧人要把外国译经师译出的梵语转为汉文，困难依然很大。梵文不但名词、代词、形容词的变格和动词的变位异常复杂，而且词序也同汉语定格不同。由于采用直译方法，有许多梵文句子很难找到确切的汉语词汇，只能用音译词代替直译，但原意却得不到明确表达。这样译出的文体佶屈聱牙，不便阅读。到了玄奘时期，在直译的基础上增加意译，不但所有的梵文句子都能用流畅的汉语译出，而且常在一节末了加注几句提要式评论，有时采用增加字词的办法或用一些通俗的名词来代替某些专门术语，使一般人容易理解。这样中国佛经的翻译从此面貌一新，促使中国佛经翻译及外来文献翻译都进入到了新译阶段。
弘福寺译场沿用集体译经的形式。但经文意思主要由玄奘决断。每部经开译之时，玄奘手持梵本，逐句口译给众僧听。先念诵一遍梵文，再通讲一遍经义，然后逐句翻译过来，指定人员当场笔录。口译笔录之后，众参译人员再按撰文、正义、正字、正音、润文、勘正等工序各执其事。
玄奘是一个很有政治头脑的和尚，在潜心译经的同时，并没有忘记《大唐西域记》的撰述。在拜见太宗之后不到一年时间里便将该书完成。
《大唐西域记》共分12卷。全书以玄奘西行路线为序，对沿途见闻经历分卷描述。卷1述中国新疆到阿富汗；卷2记述从阿富汗进入北印度，并有印度总述；卷3至卷11，记述游历北印度、中印度、东印度、南印度、西印度的见闻；卷12记述从中印度返抵中国新疆南部地区的情况。
全书描述的国家城邦有150个。其中亲历者110国，传闻者28国，附带述及的有12国。对每个国家的描述，都有固定的内容，包括地理地形、水陆交通、气候、特产、民族、语言、历史、宗教、风俗等内容。
该书不是一般的文学游记，而是一部具有很高研究价值的史地专著。近现代的考古挖掘证实了玄奘记载的真实性。从近代开始，考古学家曾根据该书提供的线索，相继挖掘出鹿野苑、那烂陀寺遗址和许多有价值的历史遗迹。现在该书的研究已成为世界范围的研究课题，除了考古学以外，同时也在民族学、民俗学、语言学，以及中亚史地研究和西域文明史研究方面取得了重要成果。
《大唐西域记》由玄奘口述，弟子辩机整理而成。其弟子辩机，本是长安会昌寺高僧，处事机敏伶俐，写得一手好文章，有佛学著作多种。随玄奘入弘福寺译场之后，拜玄奘为师，随师译经。担任过《佛地经》、《六门神咒》等经的笔录、润文工作。《大唐西域记》整理成书后，事隔两年，因获罪被斩。
辩机之死与太宗之女高阳公主有关。高阳公主下嫁房玄龄之子房遗爱。一次高阳公主跟房遗爱打猎，遇到辩机，“见而悦之，具帐其庐，与之乱”。遂赠以金宝神枕，馈赠财宝无数。后辩机宝枕被盗，因是宫中宝物，盗贼在当铺被抓，追查时牵出辩机，辩机被收押入监，他对与高阳公主私通之事供认不讳。案子上报朝廷，李世民大怒，判辩机当街腰斩。正是由于有了这段丑闻，《大唐西域记》最初在唐代刊行时并没有署辩机的名字。直到宋代再次刻印时，才加上了“玄奘口述，辩机整理”字样。
《大唐西域记》撰成后，玄奘把此书与所译新经进呈给太宗御览。时为唐贞观二十年（646年）七月，又上表请为新经作序。此时辽东战事于前一年9月结束，太宗已撤兵回朝。因西北边境及天山北道战事又起，大唐与西域各国之间使者往来频繁，太宗忙于国务，无暇顾及为经题序一事。答书曰：“朕学浅心拙，在物犹迷，况佛教幽微，岂敢仰测？请为经题，非己所闻。其新撰《西域传》者，当自披览。”遂命中书省凡发往西域诸国文书文告之类，皆让玄奘译成梵文，文辞轻重，要显示出大唐文采与国威。时逢大唐使者李有出使印度归还，奏称印度鸠摩罗王请求老子《道德经》译文，又奏印度学者马鸣《大乘起信论》失传，印度僧人期求在大唐寻求此经。太宗闻奏，命玄奘办理。玄奘先将老子《道德经》五千言译为梵文。玄奘译成后，次年由王玄策出使带往印度。玄奘又将《大乘起信论》中文本译成梵文，返归印度本土。
唐贞观二十一年（647年），太宗派兵10万，平定“安西四镇”（于阗、碎叶、疏勒、龟兹），在龟兹设立了安西都护府，一时大唐西北边境趋于稳定。同年，朝中的事儿少了下来，玄奘在弘福寺又译出《大乘五蕴论》《解密深经》《因明入正理门论》《天请百经》《瑜伽师地论》《唯识三十论》《胜宗十句议论论》七部经典。其中《因明入正理门论》把源于印度佛教哲学中的逻辑学介绍到中国，《瑜伽师地论》的翻译，又把印度无著、世亲、戒贤以来的大乘有宗体系介绍进来。
唐贞观二十二年（648年）六月，太宗身患风疾，前往玉华宫（今址在陕西铜川市玉华山）养病，命玄奘伴驾。这次伴驾与太宗相处四月之久。太宗再次提出请玄奘还俗辅政之事，并说：“大唐开国以来，人尽其才，物尽其用，但佛门学者，有道高僧，朕不得其用，深感遗憾。”玄奘道：“如果贫僧还俗辅政，好比禾苗离开土壤，船只离开水域，只恐所学无济于朝政。陛下青睐，玄奘感激涕零，自思只有呕心沥血，全力译经，方可报陛下知遇之恩。”太宗叹了口气说道：“看来人各有志，不能强求。也罢，朕就成全你，不再提还俗之事。愿法师早日完成译经宏愿。只是朝中像大师这样埋头学问，心无二用的人才太少了。”
是年七月，太宗在玉华宫病情好转。玄奘借伴驾之际，又提出为新经题序，并将《西域记》撰成后新译的七部经论作了汇报。因为他深深知道，弘扬佛法，必须借助帝王之力。历代译经事业兴衰，都与帝王的态度有关。太宗因病情好转，情绪很好，他对玄奘说：“大师先前请为经作序，朕国务繁杂，未及措意，今避暑山宫，泉石清凉，气力转好，正当为大师题序。”当即派人取来《瑜伽师地论》等经典，粗粗过目一遍，写序文781字，名为《三藏圣教序》（后世为了与其它经序相区别，称《大唐三藏圣教序》）。写完后，命秘书太监将玄奘所译经本誊抄九份，分送雍、洛、益、相、并、凉、衮、荆、扬九州流通刊印。又命弘文馆大学士上官仪在明月殿将《三藏圣教序》对着群臣宣读。他对玄奘说：“朕要当众表彰法师的功德，让满朝文武都知道大师的品行。”
玉华宫明月殿上，太宗拉着玄奘的手进入殿中，让玄奘坐在身旁。大学士上官仪手捧御制序文，高声朗诵。文武大臣侍立两旁。序文中先对玄奘舍身求法、远行印度、取回典经的事迹进行表彰，然后是对玄奘品行的赞扬。文中说：“玄奘法师，法门之领袖也”，其道德情操，“非松风水月难比其清华”，“虽仙露明珠难比其朗润”。其文章才华，是“智通无累，神测未形，超六尘而迥出，只千古而无对”。读毕，百官喝彩。太宗又当众赐给玄奘云水僧衣百件。
太宗序文一出，轰动朝野士林。先有弘福寺僧人怀仁仿晋代王羲之行书，刻于石碑之上，世称“王羲之圣教序”。后有当时大书法家褚遂良又以楷书刻于碑上，世称“褚遂良圣教序”。这两种碑文成为中国书法中的著名书帖。
当时太子李治年满20岁，读太宗序文，心有感悟，也写了一篇赞扬玄奘功德品行的序文，名为《述圣记》。其文依照太宗笔法重点对玄奘西行取经及归国译经事迹进行表彰赞扬，从中可以看到当时玄奘在这位年轻的太子、未来的高宗皇帝心目中的影响。序文中说：
显扬正确的佛教，如果不是智者则不能使经文广大；崇扬微妙的言辞，如果不是贤者则不能确定其宗旨。……玄奘法师，平素胸怀聪颖，立志平夷简易。儿童时期就神志清素，超拔浮华尘世，心情专注于禅定，足迹隐藏于幽深的岩谷，在三禅的境界中栖息，游心于菩萨修行的土地，超越六种感官的境地，独自在印度佛诞生处漫步，全通一乘佛法的奥妙，随着机缘化导众生。因中华没有正确的佛法，到印度寻访旨教真经。远涉恒河之水，终于获得完满的义理。往还寻访佛法17年，精通了全部佛教经典，以利益人类作为自己的志愿。在贞观十八年二月六日，遵照皇命于弘福寺翻译圣经。引来像大海般的佛法流水，洗涤尘污烦劳永不枯竭。传授智慧灯炬的永久光焰，照亮幽暗而恒久光明。如果不是长久培植善良的因缘，如何能够显扬佛教的宗旨呢？……我皇的福报，与天地一样坚固。我见到皇上写的经序，超越古今，义理上包含着金石的声音，文采上具有风云的润泽。李治只能略举大纲，写成这篇序记。
唐贞观二十二年（648年）九月，皇帝父子两篇序文与玄奘所译佛经同时刊出，玄奘声名大震。唐王室推崇佛教的政治态度也随之显示出来。太宗下令，准许京城长安及诸州寺庙可各度僧人5名，弘福寺宜度50人。按当时全国佛寺3766所计，仅这道皇命一下子增加僧人18580人。一时又有许多人皈依佛门。长安城中诵经、拜佛者都效法玄奘研究佛经。王公大臣、学林士子转而习佛、敬佛者颇多。意欲出家之人也纷纷来弘福寺要求玄奘为之剃度，后宫嫔妃、王公大臣以各种名义请玄奘为之做佛事，并引以为荣。大唐高僧的名字一时自上而下地在长安城中又有了更高的声誉。
从唐贞观十九年（645年）二月玄奘谒见太宗，到唐贞观二十二年（648年）六月至十月玄奘伴驾玉华宫，在这短短的三年多时间中，玄奘的最大收获，不仅仅是译出了十几部经卷，更为重要的是获得了太宗皇帝对大唐佛教及译经事业的支持。特别是太宗皇帝给他的殊荣，使他在贞观末年及后来的中国佛教史上产生了极大的影响。当时玄奘的声誉，已大大超过了当年在曲女城大会上的影响。
