643年,玄奘載譽啟程回國,並將657部佛經帶回中土。貞觀十九年(645年),回到長安,受到唐太宗的熱情接待。玄奘初見太宗時,隨即表示希望前往嵩山少林寺譯經,但沒有得到批准,被指定住長安弘福寺。652年(永徽三年),玄奘在長安城內慈恩寺的西院築五層塔,即今天的大雁塔,用以貯藏自天竺攜來的經像。1962年,寺內建立了玄奘紀念館。大雁塔成為玄奘西行求法、歸國譯經的建築紀念物。在唐太宗(李世民)大力支持下,玄奘在長安設立譯經院(國立翻譯院),參與譯經的優秀學員來自全國以及東亞諸國。他花了十幾年時間在今西安北部約150公里的銅川市玉華宮內將約1330卷經文譯成漢語。玄奘本身最感興趣的是「唯識」部分。這些佛經後來從中國傳往朝鮮半島、越南和日本。顯慶二年(657年)五月,高宗下敕,要求「其所欲翻經、論,無者先翻,有者在後」。顯慶二年(657年)九月,玄奘藉著陪駕住在洛陽的機會,第二次提出入住少林寺的請求,「望乞骸骨,畢命山林,禮誦經行,以答提獎」。次日,高宗回信拒絕。龍朔三年(663年)十月玄奘譯完最後一部佛典《大般若經》之後感慨說:「向在京師,諸緣牽亂,豈有了日?」玄奘於麟德元年二月六日甲申子時(664年3月8日午夜0~1時)圓寂。玄奘依翻譯佛典與對經文的闡釋而開創了中國法相唯識宗,其學說卻深深地影響了其他諸多宗派。奘師一生所翻經論,合七十四部,總一千三百三十八卷(目前學界流行說法為七十五部,一三三五卷),為中土一切譯師之最。
玄奘重譯羅什所譯的《摩訶般若波羅蜜大明咒經》、《佛說阿彌陀經》、《金剛般若波羅蜜經》、《維摩詰所說經》,新譯為《般若波羅蜜多心經》、《稱讚淨土佛攝受經》、《能斷金剛般若波羅蜜多經》、《說無垢稱經》,新譯的《心經》取代羅什譯本被大眾廣為接受。而《阿彌陀經》、《金剛經》、《維摩詰經》,現代流傳為大眾所持誦的經文都是羅什之譯本;另外被廣為持誦的玄奘譯本則有《藥師琉璃光如來本願功德經》。