延昌年间（512—515年），郦道元升任东荆州刺史，依旧以“威猛为政”，延续了在冀州、鲁阳的治理风格。
然而，这种严格的治理方式触动了当地豪强劣绅的利益，他们暗中煽动百姓，到朝廷诬告郦道元“苛刻严峻”，请求前任刺史寇祖礼回任。
朝廷迫于压力，将郦道元召回京城，而寇祖礼也因涉嫌煽动民众被罢官，两人一同离职。
这次罢官对郦道元打击不小，但也让他获得了一段集中精力着书的宝贵时光。
罢官期间，他闭门谢客，将多年积累的地理资料进行系统整理，正式开始了《水经注》的编撰工作。
孝明帝正光五年（524年），郦道元被重新起用，担任河南尹，负责治理京城洛阳。
洛阳作为北魏都城，不仅是政治文化中心，更是水系发达、古迹荟萃之地。
任职期间，他一方面整顿京城治安，打击贪官污吏，恢复社会秩序；另一方面利用职务之便，详细考察洛水、伊水等河流的流经路线、水利设施，走访洛阳及周边的历史遗迹，搜集了大量关于古都的文献资料与民间传说。
这段经历，让《水经注》中关于洛阳及其周边水系的记载尤为详实准确，成为研究北魏都城历史地理的重要依据。
在数十年的宦海沉浮中，郦道元历任尚书郎、治书侍御史、冀州长史、鲁阳太守、东荆州刺史、河南尹等多个职位，足迹遍布北魏疆域的大部分地区，从北方的冀州、幽州，到中原的洛阳、鲁阳，再到南部的荆州，每到一处，他都坚持实地考察，搜集资料。
这种“遍历山河”的仕途经历，为他编撰《水经注》提供了得天独厚的条件，让他得以摆脱书本的局限，用脚步丈量大地，用双眼见证真相。
《水经注》的编撰，是郦道元毕生的心血结晶。
这部着作名义上是对《水经》的注释，实则是一部规模宏大、内容丰富的综合性地理专着。
郦道元以《水经》为纲，通过补充、考证、拓展，将原书137条河流的记载，扩充为1252条，注文字数达到30万字，是原书的20倍之多。
为完成这部巨着，他付出了常人难以想象的努力，展现了严谨求实的科学精神与精益求精的治学态度。
在资料搜集方面，郦道元可谓“博览群书，旁征博引”。
据统计，他编撰《水经注》时共参阅了437种书籍，包括《尚书》《春秋》《史记》等儒家经典，《山海经》《禹贡》等古代地理着作，以及各地的地方志、人物传记、诗赋文章等。
同时，他还辑录了汉魏时期的金石碑刻350种左右，采录了大量民间歌谣、谚语方言、传说故事，甚至包括不少早已失传的文献资料。
这些丰富的素材，让《水经注》不仅是一部地理着作，更成为一部汇集历史、文学、考古、民俗等多学科内容的百科全书。
更难能可贵的是，郦道元坚持“实践第一”的原则，强调“迳见（目验）”的鉴定标准。
他不盲目迷信书本记载，而是通过实地考察验证文献的真伪，纠正前人的错误。
例如，对于《水经》中记载的某些河流走向，他通过亲自走访，发现与实际情况不符，便在注文中大胆指出“经之误正”，予以纠正。
为了考察黄河河源，他多次深入西北边境；为了探明长江三峡的地貌，他不畏艰险，沿江而行；为了了解南方水系的分布，他虽因北魏与南朝对峙未能亲至，却广泛搜集南方来使与商人的见闻，尽可能保证记载的准确性。
这种实事求是的科学态度，在尊经崇古的时代尤为难得。
《水经注》的内容包罗万象，堪称北魏以前中国古代地理的总结。
在自然地理方面，它详细记载了1252条河流的发源、流经、入海全过程，包括河谷宽度、河床深度、水量水位季节变化、含沙量、冰期等水文特征，还记录了500余处湖泊沼泽、近300处泉水井水、30余处伏流、60多处瀑布。
书中对地貌的记载极为丰富，高地有山、岳、峰、岭等多种称谓，低地有川、野、平原等不同类型，仅山岳、丘阜地名就有近2000处，还记载了70余处喀斯特洞穴、140余种植物、100余种动物，以及30多次水灾、近20次地震等自然灾害。
在人文地理方面，《水经注》的价值同样不可估量。
它记载了2800座县级以上城市和其他城邑、180座古都，以及近1000处镇、乡、亭、村等小型聚落，其中还包括今印度、越南等地的部分城市。
交通地理方面，书中记载了约100座桥梁、近100处津渡，详细描述了水陆交通路线；经济地理方面，收录了大量农田水利工程资料，记载了屯田、耕作制度以及采矿、冶金、纺织、造币等手工业生产情况，涉及金、银、铜、铁、煤炭、石油、天然气等多种矿物；兵要地理方面，记录了从古以来