民国8年(1919年)，徐树铮任西北筹边使。历经5个月的周旋，外蒙取消自治，孙中山电贺其成就可与傅介子、班超相比。民国9年(1920年)直皖两系军阀斗争激烈，他被免职，任远威将军，留北京代职。直皖战后，段祺瑞下台。他被指控为“十大祸首”之最通缉拿办，借日本使馆之助逃到天津，后潜入上海英租界内匿居。

民国10年(1921年)，孙中山以非常大总统名义在桂林组织大本营，计划北伐讨直。此时直奉两系矛盾日趋尖锐，孙中山联合段祺瑞、张作霖组成三角同盟。民国13年(1924年)9月，盘距在江苏的直系军阀齐燮元为夺取被浙江的皖系军阀卢永祥控制的上海，爆发了江浙战争。

徐树铮任浙沪联军总司令。皖系失败，他在租界的寓所里被支持直系军阀的英国人拘捕，并强迫他乘英轮去欧洲。在途经香港时，直奉战争结束，段祺瑞被推为临时执政，徐获得自由，被任命为考察欧美日各国政治专使。遂率考察团15人，先后考察法国、英国、瑞士、意大利、德国、苏联、波兰、捷克斯洛伐克、比利时、荷兰、美国、日本等12个国家。在考察法国期间，孙中山在北京逝世，徐树铮电致挽联。

徐树铮于民国14年(1925年)12月11日考察结束回到上海。段祺瑞电嘱其暂缓赴京，但他认为考察回国，理应复命，即赴京。复命后，于12月19日晚乘专车离开北京南下，途经京津间廊坊车站，被冯玉祥部杀害，时年四十有五。翌年，归葬故里，有《建国铨真》、《视昔轩文稿》、《兜香阁诗集》、《碧梦庵词》等著作传世。