Hoàng Xuân Hãn sang Paris năm 1951 và ở luôn bên Pháp. Trong thời kỳ 1951-1954 ông đã giúp Thư viện Quốc gia Pháp và các thư viện Dòng Tên ở Ý và Tòa Thánh Vatican làm thư mục về sách Việt. Hoàng Xuân Hãn vẫn tiếp tục công việc nghiên cứu, viết các bài gửi các báo Sử Địa (Sài Gòn, 1966-1974), tập san Khoa học - Xã hội (Paris, 1976-1987), Đoàn Kết (Paris, 1976 – 1981), Diễn đàn (Paris 1991 – 1994).

Năm 1952, Hoàng Xuân Hãn xuất bản La Sơn Phu Tử.

Năm 1953, xuất bản Chinh Phụ Ngâm Bị Khảo.

Năm 1954 Hoàng Xuân Hãn sang Hội nghị Genève mong mỏi một giải pháp hòa bình: một chính phủ miền Nam có thể cộng tác với chính phủ miền Bắc để thực hiện việc thống nhất đất nước.

Ngày 21 tháng 7 năm 1992, Hoàng Xuân Hãn thành lập tại Pháp một hội văn hóa có tên là Hội Văn hóa Giáo dục Cam Tuyền do ông làm Chủ tịch. Hội có tôn chỉ và mục đích bảo vệ và phát huy văn hóa, giáo dục; nhất là bảo tồn văn hóa cổ Việt Nam tại Pháp và ở các quốc gia Tây phương.

Ngoài ra tại Paris, Hoàng Xuân Hãn đã hoàn tất công trình lớn về Đoạn trường tân thanh có tên "Nghiên cứu về Kiều" từ hơn 50 năm nay.

Hoàng Xuân Hãn mất lúc 7 giờ 45 ngày 10 tháng 3 năm 1996 tại bệnh viện Orsay, Paris. Thi hài ông được hỏa táng chiều ngày 14 tháng 3 năm 1996 tại nghĩa trang L'Orme des Moineaux, Les Ulis, Pháp.

Năm 2000, giáo sư Hoàng Xuân Hãn được Nhà nước Việt Nam truy tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh về khoa học xã hội và nhân văn với cụm công trình Lịch sử và Lịch Việt Nam:

1.Lý Thường Kiệt

2. La Sơn Phu Tử

3.Lịch và Lịch Việt Nam.

Tháng 8 năm 2011, Trường Đại học Ponts et Chaussées (Trường Cầu đường Paris), một trong những đại học có uy tín hàng đầu của Pháp đã chọn giáo sư Hoàng Xuân Hãn đặt tên cho giảng đường đại học thuộc trường. Trước đó, nhân kỷ niệm 100 năm truyền thống Trường Cầu đường Paris, Giáo sư Hoàng Xuân Hãn được Nhà trường vinh danh là một trong 100 sinh viên tiêu biểu nhất trong lịch sử của Trường.