一个犯人迟回。因此群盗激他的情义，相约不在蕲州犯案。元和(806～820)初，征召回京授右司郎中、兼侍御史知杂事，调任谏议大夫、给事中。批评规劝，辩是论非，十分尽责。待到镇州王承宗叛时，宪宗封吐突承璀为招讨置使。吕元膺同给事中穆质、孟简以及兵侍郎许孟容等八人，直言反对认为不可。并说：“承璀虽贵位尊，但为宦官。如果他主帅统领兵，恐怕诸将不服。”所言明白中肯，被宪宗采纳，替吐突承璀改了封使名号，可他仍然独掌兵权，结果无功而还。吕元膺任同州刺史，到朝谢恩那天，皇上问他对当前治政得失的看法，吕元膺一一陈说，情辞慷慨激烈，得到皇上赞许。次日皇上对宰相说：“吕元膺能直言有正气，应留在朕边，让他评论政务得失，众卿以为如何？”李藩、裴土自庆贺：“陛下纳谏，超过前代所有君王，实为宗庙社稷万世无疆之喜庆事。臣等不能广为搜求端直之士，又不能时时献忠言，辜负了圣上心，理当问罪。请留元膺在陛下边供职。”随即便让吕元膺兼任太侍读，赐紫服金鱼袋。

不久官拜御史中丞，没多久，授鄂岳观察使，朝任尚书左丞。度支使潘孟与太府卿王遂相上奏争执，结果潘孟授散骑常侍，王遂派任邓州刺史，诏书上都写着辞嘉语。吕元膺将诏书封缄退还，请求写明二人行为的是非曲直。江西观察使裴堪奏报虔州刺史李将顺贪赃情状，朝廷未经复查，立即将李将顺贬为州司。吕元膺说：“廉使奏刺史犯贪赃之罪，不复查实即行贬谪，即使裴堪之言可信，这法也不可取。”又封还诏书，请求朝廷派御史前往查问，宰臣不能定夺。后吕元膺替代权德舆任东都留守、检校工尚书、兼御史大夫、都畿防御使。照旧例，留守一概赐予旗帜和甲衣，和方镇待遇相同。及至吕元膺受任留守却不赐，朝官们认为淮西有战事，特地用吕元膺留守洛，不宜削减仪仗规格而降低他的威信，谏官们援引华、汝、寿三州之例陈述看法。皇上说：“这几，都应该不赐。”留守而不赐旗甲的规矩，就是从吕元膺开始的。

元和十年(815)七月，郓州李师留居邸宅埋伏甲士谋叛。当初，李师在东都修建府第宅院，兵士细作混杂，官吏不敢查辨。因吴元济向北犯，京郊多警报，防御之兵尽去伊阙驻守。李师埋伏百余甲士于府宅，准备焚烧室，大肆掠杀。已经烹宴餐兵士，第二天就要起事。恰好小将李再兴密告变之事，吕元膺到伊阙追回军队，将李师邸宅围困半日，没人敢攻去，防御判官王茂元斩杀一人后兵士们这才攻。有的兵士毁墙去，众贼人奋力冲，围困的士兵惊恐奔逃。贼人靠在一起，让妇女儿童跟着一起走，了长夏门，在郊外抢掠民舍，夺人，东渡伊，朝山区而去。吕元膺传令驻境军士，悬赏重金捕捉贼人。数月后，有山民在集市上卖鹿，发现贼人经过，立即召集他的同伙，引来官兵将贼人围在山谷中，尽数俘获。追查贼首，原来是中岳寺僧圆净，八十余岁，曾在史思明手下为将，魁梧忄票悍过人。刚捉住他时，命人折断他的胫骨，可是锤不断。圆净骂：“连折断脚都不会，还称得上是健儿吗？”说罢伸脚教兵士将自己的脚折断。临刑时叹息：“误了我的事啊，没能让洛城血！”被死的共数十人。其中留守防御将领二人，都亭驿卒五人，甘驿卒三人，都暗中接受了圆净的委任而替他充当耳目，从开始密谋到事败之前一直无人知晓。先前，李师在伊阙、陆浑两地间大量购置田地，共计十余，所以有钱施舍山民供其衣之用。有叫訾嘉珍和门察的两个人，暗中谋划署，使这些钱财都归属圆净。他们表面装作用李师的千万钱财修理佛寺，实际指望訾嘉珍秘密起事时用在山中火饭，聚集两县山民造反作。待到查清案情，訾嘉珍、门察都供认自己是杀害武元衡的凶手。吕元膺将案情上报朝廷，将犯人押送京师，赏赐首叛者杨、李再兴锦彩三百匹、宅第一片，授予郎将之职。吕元膺随即请求召募中原弟来保卫城，朝廷应允。盗贼生发之日，都城震恐，留守之兵人少力弱不足依赖，而吕元膺坐镇皇城门，指挥署，气度自如，因此居民人心安定。

数年后，吕元膺调任河中尹，兼河中节度使等职。当时方镇多生事变姑息养，惟独吕元膺立行事能守正，监军使以及往来的中显贵，无不敬而畏之。后朝拜吏侍郎，因患病执意辞谢，便改授太宾客。元和十五年(820)二月去世，年七十二，追赠吏尚书。

吕元膺学识远，事得，在朝中肃然而立，有宰相三公的威仪。当初吕元膺到京师官时，前宰相齐映对人说：“我没赶上见到娄师德、郝俊，大概他们就是吕元膺一类的人吧！”吕元膺无论执行公务还是办私事，始终没有过失。