Находясь в Голландии, Д.А. Голицын перевел на русский язык книгу Гельвеция «О человеке, его умственных способностях и воспитании», издал ее в 1773 году за свой счет в Гааге, посвятив Екатерине II. В том же году он редактировал книгу профессора Кералио «История войны России с Турцией», в частности материалы, посвященные кампании 1769 года. Эта работа вышла в Санкт-Петербурге на французском языке в одном томе с родословной князей Голицыных.

В Гааге Д.А. Голицын представлял интересы России во время войны североамериканских колоний за независимость. Симпатии князя с самого начала конфликта были на стороне американских колоний, что, впрочем, тогда в целом совпадало с позицией российского двора. Голицын был лично знаком с Джоном Адамсом, который в донесении из Гааги 4 сентября 1782 года писал о нем: «Это порядочный и правдивый человек. Он очень сдержан и ведет себя крайне осмотрительно».

Голицын стал одним из авторов «Декларации о вооруженном нейтралитете». В письме Н.И. Панину от 18 февраля 1780 года он подробно обосновывал необходимость подписания союзного договора с Голландией, Данией и Швецией по вопросам защиты торговли и мореплавания при сохранении нейтралитета по отношению к воюющим сторонам. Видимо, своим письмом он убедил Екатерину II в необходимости подписания Декларации и заверил в союзническом расположении Голландии. Подтверждением этому служит тот факт, что письмо Голицына было зарегистрировано в канцелярии Коллегии иностранных дел 26 февраля, а 27-го Екатерина II подписала «Декларацию о вооруженном нейтралитете».

В конце 1782 года Д.А. Голицын был отозван из Голландии с присвоением ему ордена Св. Анны 1-й степени и назначением посланником в Турин, столицу Сардинского королевства, что было расценено им как почетная ссылка. Одной из причин подобной немилости явилась, по-видимому, слишком независимая позиция российского дипломата, а также его чересчур тесное знакомство с американскими лидерами, да еще и в обход российского двора. Косвенным доказательством этому служит письмо А.А. Безбородко к И.А. Остерману, где он указывал на необходимость поставить Голицына в известность, что не следует принимать от американцев подарков и писем. В 1783 году Д.А. Голицын счел за лучшее выйти в отставку и полностью посвятить себя науке.

Первое время после отставки Голицын жил в Гааге. В 1785 году он перевел на французский язык и издал книгу К.И. Таблица «Физическое описание Таврической области по ее местоположению и по всем трем царствам природы» со своими комментариями. Опубликовал он и несколько работ по электричеству: «Письмо о некоторых предметах электричества», «Наблюдения за естественным электричеством посредством воздушного змея».

Заинтересовавшись минералогией, Голицын занялся сбором образцов и в 1792 году предложил собственную классификацию минералов. Его «Трактат, или Сокращенное и методическое описание минералов» выдержал в Европе пять изданий. В 1793 году Голицын переехал в город Брауншвейг в Нижней Саксонии, где и умер 23 февраля 1803 года.

Имя князя Дмитрия Алексеевича Голицына было хорошо известно в научных кругах Европы. Еще во время дипломатической работы 15 октября 1777 года он был избран членом-директором Голландского общества наук; 3 апреля 1778-го – иностранным членом Брюссельской академии наук и художеств; 13 октября 1778-го – почетным членом Петербургской академии наук. В дальнейшем Голицын серьезно занимался физикой, химией, минералогией, создал свою экспериментальную лабораторию, изобрел самую мощную в то время электростатическую машину. Он составил и уникальную коллекцию минералов, которую в 1802 году подарил Ленскому минералогическому музею, написал один из первых минералогических словарей.