三年（1343）三月，开始修撰辽宋金三史。而后，泰不华应召入史馆，主要参与《宋史》的修撰工作。至正五年（1345年）十月，编修工作完成，泰不华擢升秘书卿，改任礼部尚书兼会同馆事。

五年（1345年），黄河决口，泰不华奉诏以珪玉、白马祭祀河神，但洪水没有止息。事后建议效仿宋朝置撩清夫，以铁扫撼荡泥沙，使随潮入海。同时建议疏浚黄河旧道，使黄河再度从彭城入海。朝廷从其言，但当时需要民夫屯田，因此他的建议没能落实。

八年（1348年），台州黄岩的方国珍起兵造反，劫掠漕运粮。江浙参政朵儿只班奉命率领江浙水师镇压，一直追到福州五虎门，但朵儿只班在乱军中被方国珍俘虏，被方国珍强迫上疏请求朝廷招降。朝廷允许招安，并任命国珍兄弟官职，但方国珍不肯赴任。

九年（1349年），朝廷任泰不华为江东廉访使，命令他调查方国珍。泰不华在了解情况后，提出招捕之策，但没有被采纳。不久，改翰林侍读学士、知制诰同修国史。然后又离京任都水庸田使。

十年（1350年）十二月，方国珍再一次烧掠沿海州郡。十一年（1351年）二月，孛罗帖木儿（并非中原军阀孛罗帖木儿）担任江浙行省左丞，驻屯庆元，因为泰不华了解方国珍，于是任命他做浙东道宣慰使都元帅，分兵镇守温州，以此夹击方国珍。不久，方国珍攻打温州，泰不华用火筏焚毁方国珍的船只，击退国珍水军。此后，孛罗帖木儿与泰不华约定在六月乙未日合兵讨伐方国珍。但孛罗帖木儿的水军在壬辰日先至大闾洋（今温州永嘉海域），官军不战皆溃，赴水死者过半，孛罗帖木儿被俘虏，反而在上疏中为方国珍辩解。

泰不华闻之痛愤，辍食数日。但朝廷不了解情况，又派遣大司农达识帖睦迩等至黄岩县试图招安方国珍。招安前夜，正逢中秋节，泰不华欲命壮士袭杀方国珍。达识帖睦迩当晚拜访泰不华，泰不华将计划告诉他后，达识帖睦迩说：“我受诏招降耳，公欲擅命耶？”于是便没有实行刺杀。招安时泰不华亲至海滨，遣散方国珍的军队，扣押他的海船、兵器，并授予国珍兄弟官差。不久泰不华担任台州路达鲁花赤。

十二年（1352年），朝廷征徐州，命江浙省臣招募防守长江。国珍以为是针对自己的，于是再一次入海叛乱。泰不华发兵扼守黄岩县的澄江（今永宁江），并派义士王大用接触方国珍，劝他归顺。国珍愈发怀疑，以二百艘小船突袭海门（今台州海门街道），入州港（今台州黄岩区王林洋村一带），攻打县城以北的马鞍山（今台州黄岩区马鞍山村）等地。泰不华和众人说：“吾以书生登显要，诚虑负所学。今守海隅，贼甫招徕，又复为变，君辈助我击之，其克则汝众功也，不克则我尽死以报国耳。”众皆踊跃愿行。

不久，国珍的姻亲陈仲达前来求和。三月庚子日，泰不华率部众乘船前往约定地点，但就要与方国珍相遇时，船只突然搁浅，于是叫陈仲达上前询问。在对质时，泰不华觉得陈仲达面色古怪，于是亲手杀死了陈仲达，随即向前与国珍水军搏斗，射死五人；敌军跃入船内后，泰不华又再斫死二人；敌军举槊来刺，也被他斩断。后来敌军想把他抓到到国珍船上，泰不华嗔目叱之，挣脱并夺走一把刀，又杀二人，后被槊刺中颈部而死，死后依然直立不倒，尸体被方国珍下令投入海中。终年四十九。

僮仆抱琴、临海县尉李辅德、千户赤盏、义士张君璧都在这场战斗中死去。泰不华死后，由于朝廷尚不知情，又被任命为江浙行省参知政事、行台州路达鲁花赤事。

此后三年，泰不华被追赠荣禄大夫、江浙行省平章政事、柱国，封魏国公，谥“忠介”，并于台州立崇节庙以示纪念。如今台州黄岩区北长塘村唐门山有将军岩摩崖，山下临江处有“元魏国公泰不华墓”、崇节祠等遗迹。

《元史·列传三十·泰不华传》