Голицын стал одним из авторов «Декларации о вооруженном нейтралитете». В письме Н.И. Панину от 18 февраля 1780 года он подробно обосновывал необходимость подписания союзного договора с Голландией, Данией и Швецией по вопросам защиты торговли и мореплавания при сохранении нейтралитета по отношению к воюющим сторонам. Видимо, своим письмом он убедил Екатерину II в необходимости подписания Декларации и заверил в союзническом расположении Голландии. Подтверждением этому служит тот факт, что письмо Голицына было зарегистрировано в канцелярии Коллегии иностранных дел 26 февраля, а 27-го Екатерина II подписала «Декларацию о вооруженном нейтралитете».

В конце 1782 года Д.А. Голицын был отозван из Голландии с присвоением ему ордена Св. Анны 1-й степени и назначением посланником в Турин, столицу Сардинского королевства, что было расценено им как почетная ссылка. Одной из причин подобной немилости явилась, по-видимому, слишком независимая позиция российского дипломата, а также его чересчур тесное знакомство с американскими лидерами, да еще и в обход российского двора. Косвенным доказательством этому служит письмо А.А. Безбородко к И.А. Остерману, где он указывал на необходимость поставить Голицына в известность, что не следует принимать от американцев подарков и писем. В 1783 году Д.А. Голицын счел за лучшее выйти в отставку и полностью посвятить себя науке.

Первое время после отставки Голицын жил в Гааге. В 1785 году он перевел на французский язык и издал книгу К.И. Таблица «Физическое описание Таврической области по ее местоположению и по всем трем царствам природы» со своими комментариями. Опубликовал он и несколько работ по электричеству: «Письмо о некоторых предметах электричества», «Наблюдения за естественным электричеством посредством воздушного змея».

Заинтересовавшись минералогией, Голицын занялся сбором образцов и в 1792 году предложил собственную классификацию минералов. Его «Трактат, или Сокращенное и методическое описание минералов» выдержал в Европе пять изданий. В 1793 году Голицын переехал в город Брауншвейг в Нижней Саксонии, где и умер 23 февраля 1803 года.

Имя князя Дмитрия Алексеевича Голицына было хорошо известно в научных кругах Европы. Еще во время дипломатической работы 15 октября 1777 года он был избран членом-директором Голландского общества наук; 3 апреля 1778-го – иностранным членом Брюссельской академии наук и художеств; 13 октября 1778-го – почетным членом Петербургской академии наук. В дальнейшем Голицын серьезно занимался физикой, химией, минералогией, создал свою экспериментальную лабораторию, изобрел самую мощную в то время электростатическую машину. Он составил и уникальную коллекцию минералов, которую в 1802 году подарил Ленскому минералогическому музею, написал один из первых минералогических словарей.

Научная слава Д.А. Голицына возрастала: в 1788 году он был избран иностранным членом Шведской академии наук; в 1793-м – членом Берлинской академии наук; в 1798-м – членом Лондонского королевского общества; в 1799-м – почетным членом Минералогического общества в Йене, а затем в том же году стал его президентом. В 1798 году Д.А. Голицын был избран членом Российского Вольного экономического общества, в сборниках трудов которого опубликовал немало статей.

Общественно-политические интересы Д.А. Голицына сосредотачивались главным образом в области экономики – он был убежденным сторонником учения физиократов. Взгляды Голицына на закономерности развития любого, в том числе и российского общества нашли отражение в его капитальном труде «О духе экономистов, или Экономисты, оправданные от обвинения в том, что их принципы легли в основу Французской революции». Само название книги ясно говорит о том, что написать ее автора побудило желание опровергнуть начавшее распространяться тогда мнение, что именно учение «физиократов» (или «экономистов», как они сами себя называли) стало причиной Великой французской революции.