Đầu năm 1861, Doãn Khuê được bổ nhiệm chức Đốc học Sơn Tây. Đến Sơn
Tây lúc đó, bọn thổ phỉ nổi lên quấy rối dữ dội, nhiều toán quân phỉ từ đất nhà Thanh
tràn qua cướp bóc, giết hại nhân dân. Trước tình hình đó, Doãn Khuê xin chiêu mộ
người tài mạnh khỏe rồi ủy cho con trai ông là Doãn Chi trông coi, theo đi đánh giặc
phỉ. Năm ấy, Doãn Khuê cùng với Hiệp quản Hưng hóa là Nguyễn Văn Thành hợp
quân, đánh thắng giặc Cờ Đen, lấy lại được huyện Thanh Ba, tỉnh Sơn Tây (nay thuộc
Phú Thọ), tiến lên lấy lại được các châu Yên Lập và Văn Chấn (nay thuộc Yên Bái),
bắt được tên tướng giặc Cờ Đen đem đi giết. Doãn Khuê còn đánh lấy lại được phủ
Lâm Thao (nay thuộc Phú Thọ). Sau những thắng lợi này, Doãn Khuê lại trở về với
chức vụ của mình là Đốc học Sơn Tây.
Năm 1867, Doãn Khuê được triều đình cử làm Thương biện Hải phòng sứ,
chuyên trông coi mạn biển Nam Định. Để tăng cường việc phòng thủ, ông đã đi xuống
thực địa xem xét các cửa sông từ Ninh Bình đến Hải Dương, kiểm tra các đồn trại,
cảng bến, xem xét việc bố phòng của các đề đốc, lãnh binh...
Lúc đó, có ông Nguyễn Huy Tề, người vừa được triều đình cử đi công cán ở
Hương Cảng (Hồng Kông) trở về. Ông này xin triều đình cho mở phố thông thương ở
cửa biển Trà Lý. Dưới con mắt thực tiễn, Doãn Khuê đã làm tập tấu gửi về triều đình
phản bác ý kiến trên. Ông cho rằng không thể mở cảng ở cửa biển Trà Lý được vì điều
kiện phù sa bồi đắp hàng năm rất lớn, thủy triều không thuận lợi cho tàu thuyền lớn ra
vào. Kèm theo ông còn đưa ra những đề nghị như: Chọn cẩn thận quân đội có lực
lượng tinh khỏe phòng khi dùng đến; Các tỉnh ven biển phải phòng bị nghiêm cẩn,
chuẩn bị thuyền bè, sửa sang binh khí để tiếp viện; Hiểu thị rõ điều cấm để ngăn cản tà
đạo gian dối; Thu phục nhân tâm, giúp đỡ điền hái, thu dụng thổ dân 6 tỉnh Nam Kỳ.
Đặt lại chức Thổ Ty ở ven biên giới Bắc Kỳ,… Nhưng đề nghị của ông không được
triều đình chấp thuận.
Trong lúc cha con Doãn Khuê đang tập trung vào công việc khai hoang thì ở
Nam Kỳ cả 6 tỉnh đã bị rơi vào tay thực dân Pháp. Doãn Khuê một mặt cùng các sĩ
phu phản đối triều đình ký hòa ước, mặt khác ông cũng nhận mệnh triều đình trở lại
chức Thương biện Hải phòng kiêm Doanh điền sứ cùng với Phạm Văn Nghị, Nguyễn
Mậu Kiến tổ chức lực lượng kháng chiến chống Pháp ở Nam Định. Cùng với đội quân
của Phạm Văn Nghị, Doãn Khuê cũng đang chuẩn bị kế hoạch đánh lấy lại tỉnh thành
Nam Định thì triều đình ra lệnh bãi binh thực hiện hòa ước: Pháp trả lại 4 tỉnh Bắc Kỳ,
còn triều đình Huế phải trao 6 tỉnh Nam Kỳ cho chúng (năm Giáp Tuất 1874).
Sau lần phải thực hiện lệnh triều đình, phải bãi binh và chịu án để mất thành
Nam Định, Doãn Khuê cùng Phạm Văn Nghị, Đỗ Phát nhất loạt xin từ quan về dạy
học. Những năm cuối đời Doãn Khuê dồn hết tâm lực vào công việc dạy học, đào tạo
và truyền thụ lòng yêu nước, chí căm thù giặc cho thế hệ tiếp theo gánh vác nhiệm vụ
giải phóng đất nước.
Cuối năm Giáp Tuất (1874), vua Tự Đức trong lời bình hiểu thị các quan lại và
sĩ dân ở Bắc Kỳ đã thừa nhận phẩm chất và tiết tháo của Doãn Khuê và các nho sĩ
khác: “Phạm Văn Nghị, Doãn Khuê, Đỗ Phát các người ấy cũng là nhà nho lão luyện,
là vị hưu quan, thế mà biết vì nước dạy bảo dân, không đến nỗi để lo cho triều
đình,…” (Trích trong Đại nam liệt truyện chính biên, tập 3, tr. 132). Vua cũng dụ Bộ
Lễ rằng: “Doãn Khuê và Phạm Văn Nghị về học hành được sĩ phu ở Nam Định kính
trọng bắt chước, thực vì nước, nên chính được phong hóa và ràng buộc được lòng
người…” (Theo Đại nam liệt truyện chính biên, tập 4, tr. 189).
Sau một thời gian lâm bệnh, ông mất vào ngày 15 tháng 10 năm Mậu Dần
(1878) ở quê hương Nam Định, trong niềm tiếc thương vô hạn của nhân dân, học trò,
