В конце 1809 года, по личному приглашению императора Александра, он вернулся в Петербург и был вновь принят на действительную службу. В соответствии с указом от 1 января 1810 года Мордвинов был включен в состав Государственного совета, а 17 января 1810-го назначен на должность председателя Департамента государственной экономии. Одновременно Мордвинов активно занимался общественной деятельностью: с 1811 года – попечитель и действительный член литературного общества «Беседа любителей русского слова», а с марта 1812 года – почетный член Императорского Харьковского университета.
Однако, несмотря на благожелательное отношение к нему Александра I, 2 апреля 1812 года Николай Семенович подает новое прошение об отставке. Хотя формальным обоснованием для принятия такого решения было несогласие с подготовленным в Государственном совете проектом, согласно которому в условиях дефицита бюджета предполагалось увеличить объем ассигнаций, «бумажных денег», негласным поводом стало увольнение в марте 1812 года М.М. Сперанского.
После отставки с поста председателя департамента Н.С. Мордвинов формально остается членом Государственного совета, но на некоторое время уезжает из столицы. При этом он продолжает составлять различного рода проекты и записки по реформированию российской экономики. В письме В.П. Кочубею Мордвинов писал: «Я препроводил время мое не в праздности и приготовил много бумаг, которые рано или поздно, но могут быть полезными. Я представлял себе Россию готовою к принятию мер великих. Меры мои не насильственны и основаны на благомерном действии времени, которое малое зерно возводит и образует в великое и многополезное древо». Один из составленных им проектов «О мерах, какие нужно употреблять прежде, нежели приступить к нынешнему займу» он направляет Сперанскому, которого всегда считал своим другом и наиболее квалифицированным в России финансистом.
Возвращение во властные структуры произошло только в январе 1816 года. Указом императора Н.С. Мордвинов был вновь назначен на должность председателя Департамента государственной экономии Государственного совета. Проработав на этой должности два года, Мордвинов попросил императора предоставить ему длительный отпуск и разрешить выехать на лечение за границу. Александр I удовлетворил прошение, и Мордвинов два года жил в Германии, Франции, Англии, Италии.
Вернувшись в Россию в 1820 году, Николай Семенович вновь поступает на государственную службу. По распоряжению императора он включен в состав Комитета финансов и Комитета министров, а в период с июня 1821 года по декабрь 1838 года был председателем соединенного Комитета Департамента гражданских и духовных дел и Департамента государственной экономии Госсовета.