Din 1503 până în 1506, Machiavelli a reorganizat apărarea militară a Republicii Florentine. Deşi în această perioadă armatele de mercenari erau folosite în mod curent, a preferat să se bazeze doar pe recrutarea de localnici pentru asigurarea unei apărări permanente şi patriotice a bunurilor publice. În 1512, când familia florentină Medici a recâştigat puterea asupra Florenţei şi republica a fost dizolvată, Machiavelli a fost destituit din funcţie şi arestat pentru scurt timp, a fost închis în Florenţa, fiind învinuit de o presupusă conspiraţie împotriva noii puteri. După eliberarea sa, a fost exilat şi detaşat în San Casciano, unde şi-a scris cele mai importante lucrări. În ciuda încercărilor sale de a câştiga încrederea casei de Medici, nu şi-a recâştigat niciodată poziţia înaltă pe care o deţinuse în cadrul guvernului. Când republica a fost reinstaurată pentru scurt timp, în 1527, a fost suspectat de mulţi republicani că ar susţine casa Medici. În acelaşi an, a murit în Florenţa, la 21 iunie şi a fost îngropat în Santa Cruz.

De-a lungul carierei sale, Machiavelli a căutat să creeze un stat capabil de a rezista atacurilor externe. Scrierile sale tratează principiile pe care este bazat un asemenea stat şi modalităţile prin care aceste principii pot fi implementate şi menţinute. În opera sa cea mai cunoscută, Principele (1513), descrie metodele prin care un principe poate dobândi şi menţine puterea politică. Acest studiu, care a fost privit adeseori ca o sprijinire a tiraniei şi despotismului unor conducători precum Cesare Borgia, este bazat pe credinţa lui Machiavelli că un suveran nu este constrâns de normele etice tradiţionale: “Se pune astfel problema dacă este mai bine să fii iubit decât temut, sau invers. Răspunsul este că ar trebui să fii şi una şi alta; dar întrucât este greu să împaci aceste două lucruri, spun că, atunci când unul din două trebuie să lipsească, este mult mai sigur pentru tine să fii temut decât iubit.” În viziunea sa, un principe ar trebui să fie preocupat doar de putere şi să se supună doar regulilor care duc spre succes în acţiunile politice. Machiavelli credea că aceste reguli pot fi descoperite, prin deducţie, din practicile politice ale vremii, ca şi ale perioadelor anterioare.

Formularea de către Machiavelli a principiilor istorice inerente într-o guvernare romană pot fi găsite în al său Discurs asupra primelor zece cărţi ale lui Titus Livius (1513-1521). În studiul său, Machiavelli se îndepărtează de conceptele teocratice medievale asupra istoriei, atribuind evenimentele politice într-o mai mare măsură capriciilor omeneşti şi elementului neprevăzutului. Printre celelalte lucrări ale sale se numără Arta războiului (1521), care descrie avantajele recrutării asupra trupelor mercenare. Istorii Florentine (1525) interpretează cronicile oraşului din punct de vedere al cauzalităţii istorice. Machiavelli a fost, de asemenea, autorul biografiei Viaţa lui Castruccio Castracani (1520), precum şi al câtorva poeme şi o serie de piese de teatru, dintre care cea mai cunoscută e Mătrăguna (1524), o critică acidă şi obscenă a corupţiei societăţii italiene contemporane. Multe dintre scrierile sale au anticipat formarea statelor naţionaliste.
Numele său este şi folosit, sub forma de machiavelism, pentru a descrie principiile puterii politice, iar persoanele care folosesc aceste principii în viaţa politică sau personală sunt numiţi frecvent machiavelici.