خواجه پس از بازگشت بمراغه که پایتخت خان مغول بود از طرف هلاکو مأمور به بستن رصد گردید و فرمان شد در جائى که شایسته باشد و براى رصد ستارگان بکار آید عمارتى درخور آن کار بنا کنند. خواجه براى محل رصد پشته بلندى را در شمال شهر مراغه اختیار کرد و بر فراز آن بنیاد رصدى عالى نهاد.
هلاکو علاوه بر مال بسیارى که براى تهیه اسباب و آلات رصدخانه از خزانه بخواجه طوسى داد اوقاف کل ممالک خویش را باختیار وى نهاد تا اعشار آنرا گرفته صرف مخارج رصد نماید، و خان برحسب درخواست خواجه جمعى از علماء ریاضى و دانشمندان و ماهران در علم نجوم را از اطراف بلاد بخواست تا در این امر دستیار وى باشند که از جمله آنان مؤید الدین بن برمک بن مبارک عرضى از دمشق [1] و نجم الدین دبیران کاتبى از قزوین [2] و فخر الدین اخلاطى [3] از تفلیس و فخر الدین مراغه اى از موصل [4] و نجم الدین کاتب بغدادى و محیى الدین مغربى [5] را با گروهى دیگر از حکما در مراغه جمع کرد و در سال 660 آلت هاى رصدى تمام شد و هریک از فضلا به کار خویش مشغول گشت و ثبت معلومات رصدى که آن را زیج خوانند در سال 672 هجرى انجام یافت و زیجى که اکنون به زیج ایلخانى مشهور است از آن رصد استنباط شده که حوادث ایام آینده را از روى آن معلوم توان داشت.
خواجه در محل رصد کتابخانه بزرگى تأسیس کرد و بنا بگفته ابن شاکر در کتاب فوات الوفیات و بعض دیگر از مورخان شماره کتابهاى این کتابخانه بچهارصد مجلد مى رسید.
خواجه تا پایان عمر در مراغه بکار رصد مشغول بود و رصد را تمام ناکرده بدرود زندگانى گفت.
در خلال این مدت چند مرتبه مسافرت باطراف نمود. مرتبه اول در سال 662 براى جمع آورى کتاب و رسیدگى باوقاف سفرى بعراق و بغداد نمود و این سفر چندان بطول نیانجامید و به مراغه بازگشت.
و در سال 665 نیز سفرى بخراسان و قهستان کرد و در این سفر علامه قطب الدین شیرازى در خدمت وى بود این سفر بیش از یکسال طول کشید و در سال 667 بمراغه مراجعت نمود.
و سفر آخر وى در سال 672 در ملازمت اباقا خان ببغداد بود در این سفر گروه بسیارى از یاران و شاگردانش در خدمتش بودند. اباقا خان در بغداد زیاد توقفى نکرد و بمراغه بازگشت و خواجه براى رسیدگى بحساب اوقاف در بغداد بماند و پس از یکماه از توقفش بیمار گشت و در اثر آن مرض عالم فانى را وداع گفت، و این واقعه در روز دوشنبه هیجدهم ذوالحجه سال 672 روى داد. تاریخ وفات او را بعضى «نور اللّه قبره» یافته اند. و حمد مستوفى در تاریخ گزیده دو بیت زیر را در تاریخ مرگ خواجه آورده است:
نصیر ملت و دین پادشاه کشور فضل
یگانه اى که چو او مادر زمانه نزاد
بسال ششصد و هفتاد و دو بذو الحجه
بروز هیجدهم درگذشت در بغداد
مدت عمرش هفتاد و پنج سال و هفت ماه و هشت روز بوده است.
از خواجه طوسى سه فرزند برومند بنام صدر الدین على و اصیل الدین حسن و فخر الدین احمد باقى ماند که هرسه فاضل و حکیم و منجم و دانشمند بودند و در زمان حیات خواجه و پس از وفاتش در کار رصد و اداره امور حکومت دخیل و داراى شغلهاى مهم شدند.

[1] مؤید الدین بن برمک بن مبارک عرضى دمشقى (منسوب به عرض بضم عین نام قریه ایست در دمشق) از مهندسان و علما و فلاسفه است. او ابتدا در دمشق بسال 650 براى ملک منصور صاحب حمص باعمال فلکى و ساختن آلات رصد مشغول بود و در سالهاى 657 تا آخر عمر با حکیم طوسى در بلده مراغه بساختن رصد و آلات آن اشتغال ورزید و در هفدهم رجب 664 بمرگ فجا درگذشت.
[2]نجم الدین کاتبى قزوینى على بن عمر بن على معروف به کاتبى و دبیران از حکما و علماء شافعیه در منطق و ریاضى و رصد استاد بود و تألیفات بسیارى از خویش بجا گذاشت که از جمله آنها شمسیه در منطق و حکمة العین در حکمت و غیره است تولدش در سال 600 و وفاتش در رمضان سال 675 سه سال پس از مرگ خواجه طوسى بود.
[3]فخر الدین ایوب بن عین الدولة بن نصر اللّه اخلاطى از علماء قرن هفتم و از حکما و مهندسین و منجمین و اطباء بزرگ آن عهد است که در آخر عمر به مراغه آمد و در رصد مراغه شرکت نمود.
[4]فخر الدین مراغى ابو اللیث محمد بن عبد الملک بن ابى حارث سحیم حکیم و مهندس رصدى تولدش در سال 583 و وفاتش در صفر سال 667 بود
[5]محیى الدین مغربى ابو الفتح یحیى بن محمد ابى الشکر بن حمید معروف به مغربى از اهل اندلس یا از مردم تونس بود در علم هندسه و علم به ارصاد کواکب از اقران گوى سبقت ربود ابتدا به خدمت سلطان ملک ناصر پیوست و پس از آن به خدمت خواجه طوسى رسید و در رصد مراغه شرکت کرد و پس از مرگ خواجه تا آخر عمر در مراغه بحرمت مى زیست تا در شهر ربیع الاول سال 682 درگذشت.