唐玄宗、唐肃宗先后去世，唐代宗继位，杜鸿渐又充任礼仪使，负责营建泰陵和建陵，加授光禄大夫，封卫国公。杜鸿渐拜相，担任兵部侍郎、同中书门下平章事，不久又升任中书侍郎。
剑南西川兵马使崔旰占据成都，杀死节度使郭英乂，并自称节度留后，邛州衙将柏贞节、泸州衙将杨子琳、剑州衙将李昌巙则起兵讨伐崔旰，蜀地局势一片混乱。唐代宗命杜鸿渐兼任山南西道剑南东川等道副元帅、剑南西川节度使，赴西川平乱。杜鸿渐却志气怯懦，又沉迷佛教，不喜军务，他到成都后，畏惧崔旰兵势，不敢问罪，反而请求朝廷授崔旰为节度使。当时，吐蕃入侵，关中混乱，唐代宗无奈，只得授崔旰为西川行军司马，又授柏贞节、杨子琳为刺史，让他们罢兵归镇。
杜鸿渐请求入朝，并推荐崔旰为西川兵马留后。不久，唐代宗召杜鸿渐回京，又任命崔旰为成都尹、剑南西川节度使。杜鸿渐入朝后，被罢去山南副元帅之职，再次担任宰相，改授门下侍郎。出任东都留守，并充任河南、淮西、山南东道副元帅，仍保留同平章事之职，他称病上表，请求退休，得到唐代宗的批准，因此并未到洛阳赴任。
杜鸿渐晚年深信佛教，曾赋诗道：“常愿追禅理，安能挹化源。”朝臣也都赋诗唱和，他退休后病重，让僧人将自己的头发剃去，又留下遗言，让儿子依照胡法将他塔葬，不要堆土、植树，希望能如僧人一般，时人都讥笑不已。杜鸿渐病逝，终年六十一岁，唐代宗废朝三日，追赠太尉，赐谥文宪。