先天元年(712年)，唐睿宗退位，唐玄宗继位，郭元振出任朔方军大总管，修筑丰安(今宁夏中卫西)、定远城(今宁夏平罗南)，使戍守军队得以有屯驻之所。先天二年(713年)，郭元振以兵部尚书之职再次担任同中书门下三品。
同年七月，唐玄宗诛杀太平公主，郭元振亲自率兵保护太上皇唐睿宗，在中书省宿卫十四夜，因功进封代国公。不久，郭元振兼任御史大夫，出为朔方大总管，防备突厥。
抑郁而终
先天二年(713年)十月，唐玄宗在骊山举行军演，并亲自擂鼓。郭元振突然出班奏事，打乱了军演。唐玄宗见军容不整，非常生气，命人将郭元振立即斩首。刘幽求、张说劝谏道：“郭元振立过大功，即便犯了重罪，也应当予以宽恕。”唐玄宗便赦免了郭元振的死罪，将他流放到新州(今广东新兴)。
不久后，唐玄宗念及郭元振昔日功劳，在同年十一月二十八日受尊号时专门特赦郭元振，起复他为饶州(今江西鄱阳)司马。郭元振遭此挫折，心情抑郁，在赴任途中病逝，终年五十八岁。
开元十年(722年)，郭元振被追赠为太子少保。
乐于接济
郭元振十六岁时在太学读书，家中给他送来四十万钱。这时，有一个穿着丧服的人到他门前请求救济，并称：“我祖宗五代都没有安葬，希望您能接济我，让我能够办理丧事。”郭元振听后，也不问他姓名，就把家中寄来的钱全部给了他，没有丝毫吝惜之色。
牵线得妻
野史记载郭元振年轻时相貌俊美，多才多艺，宰相张嘉贞欲纳为女婿，但他有五个女儿，难分高下，不知选谁是好，于是让五女各持丝线，在帐幔前让郭元振任意牵取，牵走的就是许配给他，郭元振牵了一根红线，结果是张嘉贞第三女，郭元振就娶她为妻。后人虽指出此故事不足取信 ，但“牵红线”这一说法就是从这儿来的。
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