В 1826 году он переезжает в Санкт-Петербург.
Для Петербургского периода в творчестве Одоевского характерно увлечение мистическими учениями, средневековой натуральной магией и алхимией. Он продолжает заниматься литературным творчеством. Пишет романтические и дидактические повести, сказки, публицистические статьи, сотрудничает с пушкинским «Современником», «Вестником Европы» несколькими энциклопедиями.
К этому же времени относится и лучшее, по общему признанию, из его произведений — сборник философских эссе и рассказов под общим названием «Русские ночи».В 1861 году Одоевский возвращается в Москву. Одновременно с переездом он был назначен сенатором московских департаментов сената, где состоял до самой смерти.Одоевскому принадлежит почин в устройстве детских приютов; по его мысли основана в Петербурге больница для приходящих; он же был учредителем Елисаветинской детской больницы в Петербурге и вторым председателем Крестовоздвиженской общины сестёр милосердия.Умер Одоевский 11 марта 1869, не оставив после себя ни детей, ни какого-либо состояния.
Похоронен на Донском кладбище в Москве.
