71年十一月，匈奴人刘猛在时下山西地区武装暴动，杜预精准分析预判，收到明显效果。司马炎重新启用杜预，任命他为度支尚书，负责政府的经济财政事宜。其间，获胜而归的石鉴，为了多得奖赏而报功不实，杜预指出其错，两人再次互相攻击，司马炎恼极，将两人俱免官职。不过数年后，杜预复被授任度支尚书。
杜预发现一直通行的历法不合晷度，便予反复计算，终于找出内中差谬原因，修订出《二元乾度历》。经过验证，最后取代旧历，通行于世。杜预一生所做的类似上述纠错增益、著书立述之事，不胜枚数，朝野内外因此尊称其为"杜武库"，意指博学多通，就像武库一样，无所不有。
公元278年春季，一直筹划吞并吴国的荆州前线主帅羊祜突然病重，临终前，羊祜向司马炎举荐杜预接替其职。受命之后，杜预前往荆州，积极进行军事部署，并决定先行拿下吴国的西大门一一西陵。
其时西陵的守将张政，虽然不及逝于公元274年的名将陆抗，但军事才能同样不可小觑。为了除去张政，杜预实施一条借刀杀人之计，他从军中选出一批精壮将士，突袭张政并致其吃亏。张政惧怕孙皓问罪，没有如实报告此次遭败情况。杜预深知孙皓生性多疑，就让那些俘虏返回吴国，到处传讲张政被袭之事。孙皓大怒，召回张政，任命武昌监刘宪接替张政。大战前夕易帅，吴国军心动荡，由此先输一着。
但就在杜预准备对吴国发动总攻之时，驻守扬州的晋军主帅王浑，声称吴国已经动员倾国之兵，准备攻打晋国。这一消息，促使反对伐吴的官员贾充、荀勖等人频繁上书劝谏。司马炎不得已，便令暂停灭吴计划。
杜预得知司马炎变卦，非常着急。他连续三次上书司马炎，坚持伐吴之战不可拖延。第三次上书时，凑巧大臣张华正陪司马炎下棋。张华看罢杜预之信后，立即停止下棋，恳求司马炎采纳杜预建议。这次司马炎终于下了决心，命令杜预迅速发兵南征。
二十多万晋军，兵分六路，水陆齐进。虽然此战杜预不是主帅，只为西线指挥，但整个灭吴之役的走向，一如杜预所预判的那般发展，充分体现了他的卓越军事才能。
西晋灭吴，结束了汉末三国以来山河分裂割据状态，促使中国重归一统。杜预因功进封当阳县侯，增加食邑至九千六百户，其子杜耽也受封为亭侯，食邑千户。
杜预受赏后，返回襄阳继续领军。期间多次反对"天下安定就要废弃军备"的观点，认为"天下虽安，忘战必危"，他在提
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