1333年（元统六年），元惠帝以欧阳玄任翰林院直学士，负责编修《泰定帝实录》、《明宗实录》、《文宗实录》和《宁宗实录》，合称“四朝实录”，受到朝野好评。因此，当至正（1341－1367）初年元惠帝下诏修撰辽、金、宋三史时，又以欧阳玄为总裁官。接受了这一任命后，欧阳玄极为负责。丞相脱脱问他三史编撰从何人手，他回答：“编史好比造屋，关键是聚材、择匠。聚材就应当先购书，择匠就必须遂选史官。”脱脱同意他的建议。欧阳玄便本量搜集史料，仔细选定撰写者，并先亲自定出凡例，让参加编写者有所依据。待记、传的正文完成后，他又一一写出论、赞、表、奏，对史事人物作一大略的评价。编写过程中有些撰稿者为显示自己的才华使某些议论不公正，也有部分书稿因编写者众多而文字差异很大。对这些情况，欧阳玄不多作口舌辩争，等初稿呈上后自己详加推敲，斟酌改定。因而三史体例统一，文笔一致，对人物史事的评价较为公允。元惠帝阅读完成稿后再三称赞，后人评价也较高，认为三史共600卷千万言宇都由欧阳玄一人改定，很不容易；不足是由于卷佚浩繁，其中难免有所差错，有的同一件事、同一个人在书中出现多次，却先后记载不同。不过瑕不掩瑜，辽、金、宋三史总体而言堪称信史。
三史修成后，欧阳玄因功升翰林学士承旨，朝廷又命他纂修“仿周礼之天官，作皇朝三大典”的《经世大典从此外，他还编成《太平经国》、《至正条格》、《经考大典》、《纂修通议》、《康书纂要》、《元律》等史著多种，共达 1120卷。可惜的是，这些史学方面很有价值的书籍大多已经散佚，未能传至现世。
如果说欧阳玄编修三史和其他史学著作有使人借鉴历史经验教训功效的话，那么他所撰写的《至正河防记》则对治理黄河，安定民生有着直接的现实意义。1351年（至正十一年），元朝以贾鲁为总治河防使负责治理黄河，功成后又命欧阳玄制作河平碑文以表旋此次治河的功绩。欧阳玄遵令完成了河平碑的制作，但在这过程中他感到以前司马迁《史记》和班固《汉书》中所记载的修得河渠沟恤的状况，仅仅记下了治水的道理及水流趋向，不涉及到治水的具体方法，使后世担任治理黄河任务的负责者无从了解和考究。于是他向贾鲁和熟悉河情者仔细询问，并将治河过程中所作的各种记录详加勘质，然后写就了《至正河防记》。详尽记载了这次至正年间治理黄河的方略方法，对后世治河有一定参考价值。
欧阳玄不仅在史学方面成就卓著，在诗文方面也享有盛誉，有《圭斋文集》15卷遗世。他的诗题材广泛，不论是写景咏物，还是酬和应答，都文辞典雅，《元诗选》、《全金元词》等共录入他的诗词百余首，其中不乏意境深远之作。如《漫题二绝》之一吟道：
“铃索无声玉漏稀，青续夜直月侵扉。五更一觉梅花梦，催得江南学士归。”
诗中描写了作者深夜工作的情景，而怀乡思归之意袭上心头，含蓄深沉，真挚感人。由于欧阳玄仕途通达，以布衣而跻身高，所以诗中常有一种踌躇满志的意态，还有不少应酬之作。欧阳玄的散文成就很高。他作文效法族祖欧阳修，以廉静深醇、舒徐和易为法。曾说：“夫文廉则不夸，静则不躁，深则不肤，醇则不靡。”欧阳玄的文章确能做到不浮夸，而且据事直书，没有世俗的夸诞之弊。欧阳玄最为人称道的是制诰碑铭一类文体，当时朝廷宗庙制造大多出自他手，海内名山大川佛寺道观、王公大人的碑文墓志，也都以能得到他的文辞为荣耀。后人评价：“海内争思得公文辞以为荣，片言只字流播人间，咸知宝重。”如欧阳玄撰文、赵期颐篆额、危素书写的《义门王氏先茔碑》，就是元代名碑，反映了陕西蒲城义门王氏孝义治家、受朝廷表彰等事迹。
颇有意趣的是，欧阳玄对戏曲说唱也很在行，他曾作《渔家傲南词》12首，是仿“鼓子词”的说唱形式而创作的，清代张九钺在《渔家傲小序》中说：“杨升庵作《滇南月节词渔家傲十二调》，仿欧阳圭斋专咏燕京风景体。”可见有一定影响。欧阳玄还写了小说《睽东记》，以鬼神警世喻人，这比蒲松龄的《聊斋志异》早了几百年。
欧阳玄虽身为高官，平时却生活俭朴，待人谦和，同时代的诗人大家孙风洲赞颂他：“奎斋还是旧圭斋，不带些儿官样来。”1357（至正十七年），欧阳玄病逝于大都（今北京），享年83岁。朝廷谥号文，追赠大司徒、柱国，封楚国公。葬宛平香山，后归葬浏阳天马山，并建词纪念，受到湖南士人世代祭祝崇敬，至今浏阳还有“奎斋路”的街名。
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