早期仕途
杜牧在家族中排行十三，因此根据唐人的习惯，被称为“杜十三”。杜牧政治才华出众，杜牧十几岁的时候，正值唐宪宗讨伐藩镇，振作国事。他在读书之余，关心军事，后来杜牧专门研究过孙子，写过十三篇《孙子》注解，也写过许多策论咨文。特别是有一次献计平虏，被宰相李德裕采用，大获成功。
长庆二年（822年），杜牧20岁时，博通经史，尤其专注于治乱与军事。杜牧23岁作出《阿房宫赋》。25岁时，杜牧又写下了长篇五言古诗《感怀诗》，表达他对藩镇问题的见解。此时的杜牧已经很有名气，作品流传。
大和二年（828年），杜牧26岁，进士及第。同年考中贤良方正直言极谏科，被授弘文馆校书郎、试左武卫兵曹参军。
大和七年（833年），杜牧被淮南节度使牛僧孺授予推官一职，后转为掌书记，负责节度使府的公文往来。京衔是监察御史里行。这时杜牧居住在扬州，特别喜欢宴游。大和九年，杜牧被朝廷征为监察御史，赴长安任职，分司东都。八月在东都洛阳上任。因此逃过了十一月的甘露之变的险恶风波。在这里他遇到了宣州市的故人张好好，写下了著名的《张好好诗》。在洛阳期间，由于职务清闲，他四处凭吊古迹，写下了不少诗篇。
大和九年（835年），杜牧三十三岁，由扬州赴长安就任监察御史。
开成二年（838年），杜牧入宣徽观察使崔郸的幕下，被召为宣州团练判官。
开成四年（839年），年底杜牧离开宣州，去长安任左补阙、史馆修撰。开成五年，杜牧升官为膳部员外郎。
迁官外放
会昌元年（841年），杜牧调任比部员外郎。
会昌二年（842年），外放为黄州刺史。杜牧外放的原因史书上并无记载。杜牧自己认为是宰相李德裕的排挤。而李杜两家为世交，李德裕为何不喜欢杜牧，有人认为是杜牧为人倜傥，不拘小节，与李德裕的理念不合；而且牛李党争，杜牧与牛僧孺私交甚好，可能被李德裕认为是牛党。后杜牧任池州、睦州刺史。为政能兴利除弊，关心人民。
会昌四年九月（844年9月)，杜牧迁池州刺史，这年四十二岁。池州治所秋浦县(今安徽贵池)。
会昌五年（845年)，七月，武宗下诏禁毁佛教。杜牧对于这一措施是很赞同的，后来他在宣宗大中年间作《杭州新造南亭子记》，详细叙述武宗禁毁佛教事。
宣宗大中二年（848年），得宰柏周墀的帮助，入为司勋员外郎、史馆修撰，转吏部员外郎。
生暮年
宣宗大中三年（849年），就因为京官俸禄低，而难以养家请求外放杭州刺史，但是没有批准。
宣宗大大中四年（850年），他被升为吏部员外郎。但是杜牧仍然多次请求外放湖州刺史，连上三启，终于应允了他的要求。但是也有人认为，杜牧请求外放并不仅仅是经济原因，而是不满意朝政，认为自己无法在朝中有所作为。同年秋天，杜牧到任湖州刺史。他在湖州凭吊前贤，结识诗友，作了不少诗。一年后，他又被内升为考功郎中、知制诰。到长安第二年，迁中书舍人。这段时期，杜牧重新整修了祖上的樊川别墅，并且闲暇之时经常在这里以文会友。
宣宗大中六年（852年），冬天病重逝世。