以师礼相待，请他为燕伐齐的战争出谋划策。燕昭王死后，惠王即位，燕齐战争的形势逆转，邹衍被人诬陷入狱，出狱后又回到齐国。此时齐襄王重新恢复了稷下学宫，邹衍又成为稷下先生。齐王建八年，邹衍出使赵国，在平原君面前批评公孙龙，使之被罢黜。齐王建十四年见燕王喜，次年燕伐赵的战争失败，邹衍也在此后不久去世。

据《史记·孟子荀卿列传》记载，邹衍的治学方法是“先验小物，推而大之，至于无垠”。从时间上来看，他先从人所共知的黄帝谈起，推而远之，直到天地未生之时，甚至更加久远，以至不可考究的混沌状态。从空间上来看，先列中国的名山大川、珍禽异兽、水土植被，再推至海外人所未见之物。他的思想宏大不经，古今中外、天文地理无所不包，因此有“谈天衍”的美誉。

邹衍不是为谈天而谈天，他以谈天为手段，以服务于当时的政治需要为目的。邹衍的思想主要源于孔子创立的儒家和儒家所推崇的“六经”。在自然观上，利用《周易》经传的阴阳观念，提出了宇宙演化论；又从《尚书·禹贡》的“九州划分”进而提出“大九州”说，认为中国为赤县神州，内有小九州，外则为“大九州”之一；在历史观上，则把《尚书·洪范》的五行观改造为“五德终始”说，认为历代王朝的更替兴衰均由五行所主运；在政治伦理上，亦“止乎仁义节俭，君臣上下六亲之施”，赞成儒家仁义学说。同时强调“因阴阳之大顺”，包含若干天文、历法、气象和地理学的知识有一定的科学价值。