В 1550 году Ди совершил поездку в Брюссель и Париж, где читал лекции по математике. Его выступления пользовались огромной популярностью. В 1551 году Ди получил предложение занять в Париже должность профессора математики, но отказался. В 1552 году поступил на службу к 1-му графу Пембруку, а в конце того же года – к герцогу Нортумберленду. На службе у последнего он написал трактат о приливах. Ди познакомился в Лондоне с итальянским ученым и астрологом Джероламо Кардано (1501–1576). Они вместе занимались проблемой вечного двигателя и изучением драгоценного камня, якобы имевшего волшебные свойства. В 1553 году, когда на престол взошла католическая королева Мария Тюдор, протестанты подверглись репрессиям. Отец Джона Ди был на короткое время арестован и лишился большей части своего состояния.
Джон Ди. Гравюра 1770-х гг.
Ди в 1554 году отказался от предложения занять должность профессора математики в Оксфордском университете. Он был недоволен системой образования в Англии, в которой, по его мнению, слишком большой упор делался на преподавание риторики, логики и грамматики в ущерб более сложных и более нужных для практической жизни арифметики, геометрии, музыки и астрономии.
28 мая 1555 года Ди был арестован «за вычисления»: в ту пору занятия математикой рассматривались обществом как нечто, близкое к колдовству. Ди верил, что число есть основа и мера всех вещей во Вселенной и что сотворение мира Господом было «актом исчисления». Возможно, имелись в виду гороскопы, составленные Ди для Марии Тюдор и принцессы Елизаветы. Вскоре Ди было предъявлено еще и обвинение в государственной измене. Однако судом Звёздной палаты он был оправдан. Ди всячески дистанцировался от конфликта католиков и протестантов.
15 января 1556 года Ди представил Марии Тюдор захватывающий план учреждения Королевской библиотеки, в которой предполагалось собрать все важные книги по всем отраслям знания. План Ди был отвергнут, и вместо этого учёный принялся за составление личной библиотеки в своём доме в Мортлэйке, собирая научные труды со всей Европы. Его библиотека, уже при его жизни ставшая крупнейшей в Англии, привлекала многих учёных.
В 1558 году после смерти Марии I Тюдор на престол взошла Елизавета Английская, восстановившая в стране агликанство. Она сделала Ди своим личным астрологом и советником в делах науки; Ди сам назначил наиболее благоприятную дату коронации Елизаветы на основании составленного им гороскопа.