У 1747 році з'являється наступна праця Дідро «Прогулянка скептика, або Алеї», в якій автор знову намагається спростувати церковні догмати з позиції здорового глузду та науки. Слідом за нею у 1749 році побачила світ праця «Листи сліпих у настанову зрячим», у якій автор послідовно доводить хибність будь-якої філософії, що суперечить розуму та почуттям. Незважаючи на анонімність цієї публікації, як і більшості інших прижиттєвих творів Дідро, автора було викрито та ув'язнено на три місяці до Венсенського замку за «богохульство». Бажану свободу Дідро отримує завдяки заступництву Вольтера. Під час перебування у Венсенському замку у Дідро народжується задум грандіозного видання — «Енциклопедії, або Тлумачного словника наук, мистецтв та ремесел», яке має покласти край схоластиці в усіх галузях знань.
Вийшовши з ув'язнення, Дідро залучає до співробітництва в «Енциклопедії» усіх найталановитіших просвітників: Монтеск'є, Вольтера, Гольбаха, Мармонтеля, Руссо, Гельвеція, Кондільяка та інших. Редактором видання був відомий математик та філософ Ж. Л. д'Аламбер, проте основні видавничі справи вів сам Дідро. У процесі підготовки словника розкрилися його організаційний талант, колосальна енергія та універсальна освіченість. Він пише для «Енциклопедії» 1259 статей з найрізноманітніших питань: філософії, політики, естетики, етики, економіки, техніки тощо. Його допитливий розум вбирає в себе все нове як в галузі науково-теоретичної думки, так і у виробничій галузі. Недаремно деякі дослідники порівнюють Дідро з універсальним тиглем, в якому плавляться, подібно металам, різні життєві спостереження та факти, прогартовані просвітницькими ідеями. Перший том видання побачив світ у 1751 році.
«Енциклопедія» своїми новаторськими ідеями похитнула теоретичні засади старого світу, що у свою чергу викликало жорстоку опозицію церкви. Хоча більшість статей «Енциклопедії» через цензурні перешкоди була написана езопівською мовою, уже після публікації другого тому в 1752 році королівський суд заборонив це видання. З цього моменту випуск «Енциклопедії» продовжувався нелегально. Було ще кілька постанов про заборону її публікації, але популярність видання тільки зростала. У 1759 році влада остаточно зупиняє випуск «Енциклопедії», відповідно до королівського указу передбачені суворі покарання (у тому числі й позбавлення життя) за написання статей, які критикують церкву та королівську владу або порушують порядок і спокій у країні. Переслідування похитнули єдність енциклопедистів — посварився зі своїми однодумцями Руссо, відмовився від редакторства д'Аламбер, відійшов від видання Вольтер. Але Дідро продовжував роботу до кінця: у 1765 році він випустив останні 10 томів, а у 1772 році передплатники отримали додатково ще 11 томів ілюстрацій до повного видання «Енциклопедії», що складалося з 17 томів теоретичних статей. «Енциклопедії» Дідро віддав 20 років свого життя, ця праця стала його науковим та громадянським подвигом.
Водночас із виданням «Енциклопедії» Дідро продовжував свої наукові дослідження. За ці роки він написав «Думки про пояснення природи» (1754 р.), «Про драматичну літературу» (1758 p.), «Філософські засади матерії та руху» (1770 p.), «Системне спростування книги Гельвеція «Про людину» (1773–1774), «Елементи фізіології» (1773–1780 pp.), «Парадокси про актора» (1773 р.) та інші. Тоді ж були написані й художні твори Дідро, які принесли йому посмертну світову славу: «Черниця» (1760 p.), «Небіж Рамо» (1762–1782 pp.), «Жак-фаталіст та його пан» (1773 p.).
Прагнучи суспільної реалізації, Дідро шукав кожної можливості для втілення своїх філософських ідей в життя. Як і Платон, який свого часу намагався реалізувати власні утопічні теорії при дворі сиракузьких тиранів Дионісіїв і ледь не був за це проданий ними у рабство, як і Вольтер, який пережив захоплення та розчарування постаттю пруського правителя Фрідріха II, Дідро захоплювався постаттю російської імператриці Катерини II, яка у свою чергу прагнула для себе ореолу освіченої правительки.