輝元支持足利義昭對抗織田信長。石山本願寺舉兵，他派兵運送軍糧及彈藥援助。織田軍與毛利軍交戰，多以失敗告終。直至織田軍使用鐵甲船，毛利水軍才無法取得優勢。
天正十年 (1582 年) 四月，羽柴秀吉奉命攻打高松城。輝元率四萬大軍馳援，與秀吉對峙。「本能寺之變」發生，秀吉展開與毛利氏的和談，雙方達成協議，秀吉退兵。自此，輝元在柴田勝家與秀吉的爭奪戰中一直保持中立，賤岳之戰後，他更向秀吉送上祝賀。
四國征伐、九州征伐 (秀吉率兵攻略島津家的戰事)，輝元皆有派兵參與，為秀吉的統一大業作出貢獻。天正十六年 (1588 年)，他帶同主要家臣上洛，敘任從四位下參議。十七年 (1589 年)，輝元興建廣島城，兩年後移居於此。秀吉兩度出兵攻打朝鮮，毛利軍作為主力軍，共派出三萬人。文祿四年 (1595 年)，輝元敘任從三位權中納言。慶長三年 (1598 年)，秀吉臨終前，拜託輝元盡力輔佐兒子秀賴，以他為「五大老」之一。
德川家康號召各地大名討伐上杉景勝，石田三成舉兵抗衡家康，擁立輝元擔任西軍總大將。關原合戰以西軍戰敗結束，家康搜出輝元與西軍聯繫的大量書信，決定將輝元減封至周防 (又稱防州，今山口縣東南)、長門 (又稱長州，今山口縣西北) 兩國 (失去原有居城廣島城所在的安藝國)。輝元成為長州藩第一代藩主。
慶長九年 (1604 年)，萩城興建，這是長州藩的藩廳。輝元最後在萩城之四本松邸死去，享年七十三歲。
幕末時期，長州藩聯合薩摩藩、土佐藩、肥前藩，共同推倒德川幕府。長州藩的軍隊是日本最早的西式軍隊。而著名思想家吉田松陰，屬長州藩士，伊藤博文、木戶孝允、高杉晉作、山縣有朋皆是他的門人。
「毛利兩川」是輝元早年成就霸業的關鍵，「小早川」指小早川隆景，「吉川」指吉川元春。二人都是毛利元就之子，輝元父親毛利隆元之弟。隆景善於處理政治及外交事務，元春擅長軍事攻略。在他們協助下，輝元得以與尼子氏、大內氏等作戰而無後顧之憂。秀吉順利退兵與光秀戰於山崎，也和二人建議不作追擊有關。
小早川隆景有一養子，名叫小早川秀秋，關原合戰時，他陣前叛變，倒戈攻擊西軍，間接導致大谷吉繼戰死。戰後，秀秋常聲稱大谷吉繼的鬼魂要來索命，終日惶恐。他亦沒有子嗣，小早川氏中絕。
吉川元春晚年患癌，身體狀況轉差，在豐前國 (今福岡縣東部及大分縣北部) 小倉城死去，享年五十七歲。
