Diderot var dock själen i arbetet med den stora Encyclopédie (1–35, 1751–80) som han trots myndigheternas motstånd drev vidare med outtömlig energi. Han engagerade de flesta stora franska upplysningsmän som medarbetare och författade själv en mängd centrala artiklar. Det var viktigt att encyklopedin skulle vara ”resonerande” i den meningen att det skulle finnas ett inre sammanhang mellan artiklarna; ur helheten skulle en förnuftig världsbild framträda. Av hänsyn till censuren tvingades Diderot smyga in kritik av kyrka och statsmakt i smärre, mindre uppseendeväckande artiklar.

Diderots övriga författarskap är rikhaltigt och mångskiftande och rymmer filosofiska avhandlingar som Pensées philosophiques (’Filosofiska tankar’, 1746), romaner som Jacques le fataliste (1773; ”Jakob fatalisten och hans husbonde”), dialoger som Le neveu de Rameau (1762; tryckt för första gången i Goethes tyska översättning 1805; ”Rameaus brorson”) och Le rêve d’Alembert (1769; ”d’Alemberts dröm”) och dramer som Le père de famille (1758; ”Herr Orbesson och hans familj”). I sitt författarskap framhävde han det sinnliga, påtagliga och praktiska. Det handfasta arbetet hade i honom en hängiven beundrare. Som brevskrivare i stor stil framträder han i korrespondensen med väninnan Sophie Volland (1930; svenskt urval 1988).

Diderot var inte systematiker; med lätthet och inlevelse rörde han sig snabbt från område till område. Han såg en motståndare i kristendomen och var själv ateist och materialist. Allt verkligt var alltså enligt honom materiellt, men materien kunde ha olika grader av komplexitet och därmed också ha olika uppenbarelseformer. Så ansåg han att livet var inneboende i den levande organismens materia (”hylozoism”).

I praktiken en talesman för jämlikhet förblev Diderot till sin politiska uppfattning monarkist. Han menade att en kung som var trogen sitt folks ”esprit” och hade det allmänna bästa för ögonen var en idealisk regent. Samtidigt talade han varmt för folkligt motstånd mot maktmissbruk; revolutionär var han dock inte.

Diderot var den förste moderne författaren i det att han sökte leva på sin penna. Det lyckades inte till fullo. Katarina den stora av Ryssland, som beundrade honom, hjälpte honom genom att köpa hans bibliotek, vilket han sedan själv fick behålla. Åren 1773–74 gjorde han en resa till Ryssland, där han besökte kejsarinnan och utvecklade en intressant plan för ett framtida ryskt universitet.