1918年，在選舉民國第二屆總統之際，段祺瑞、馮國璋相持不下，一向兩面都不得罪的徐世昌遂作為“理想人選”得任總統。為此徐世昌還請示早已退位的溥儀，“得其恩準”。

然而徐世昌當這個總統是很難受的，1919年5月4日，爆發了五四運動。在運動之初，徐世昌力圖保持和學生之間的諒解態度。5月5日，眾矢之的的曹汝霖首先向大總統遞上了辭職書。徐世昌對曹在竭力挽留的同時也頗多慰言：“該總長從政有年，體國公誠，為本大總統所深識。該總長因公受累，實疚于懷”，并請他“務以國家為重，照常供職，共濟艱難，所請應毋庸議”，隨后，又以類似的語言慰留陸宗輿。另一方面，在教育總長等的強烈要求下，徐世昌也于5月7日下令全部釋放了因“火燒趙家樓”而被逮捕的學生，仍然表示出一種要平息事態的態度。

5月下旬，五四運動范圍不斷擴大，從北京波及全國，由學界推至各界。迫于形勢，徐世昌不得不采取強硬的措施：明令禁止學生集會、游行、演說、散發傳單;加強輿論控制，實行新聞檢查;任命仇視學生的軍閥王懷慶代替李長泰為步軍統領。在巴黎和會簽字與否的問題上，徐世昌也改變了原來猶豫不決的態度，于5月23日致電在巴黎的中國代表團，即使不能保留山東條款，也要全約簽字。次日，政府把主張簽字的通告致電各省，名為征求意見，實為爭取支持。6月3、4兩日，北京學界繼續上街演講。軍警根據徐世昌的禁令，逮捕了近千名學生，關在北大三院校舍。軍警還在北大外面搭起帳篷，包圍了北大。

然而“六三”事件卻引發了更大規模的聲援活動，從上海開始，除了學生罷課外，商人罷市、工人罷工，把五四運動推向了最高潮。在全國人民的強大壓力下，徐世昌只好再次改變策略，先是“丟車保帥”，于6月10日下令辭去了曹、章、陸三人的職務;既而施行“苦肉計”，自己主動向參、眾兩院提出辭職。徐世昌的辭職立即在政界引起了震動。辭職書剛送到國會，參、眾兩院的議長就親自登門把原件退回。而徐的政敵、在運動發生之初曾經大罵徐世昌的段祺瑞，這一次則親至徐宅，對徐世昌進行挽留。次日，各地挽留徐的電文也像雪片般地飛來，一時頗有“總統一職非徐莫屬”的勢頭。至此徐算是穩住了陣腳。

6月28日，徐世昌親自接見群眾代表，表明了政府的態度，即電告在巴黎的中國代表團，如不能保留山東問題，中國將不予簽字。五四運動要爭取拒簽的目的在表面上已經達到了，徐世昌本人也算保住了自己的地位。

在被曹錕、吳佩孚逼下臺之后，徐世昌回到位于天津的公寓，過起了詩、書、畫陪伴的“隱逸”生活。他出身翰林，博學多才，文章詩詞書畫皆精，傳統文化造詣很深，且頗有成就。他的詩、書、畫不輕易送人，因而流傳不多。退隱后，他在北京的班大人胡同設立“徐東海編書處”，編《清儒學案》208卷，并創作詩詞5000余首，楹聯一萬余副，多為質量上乘之作。如不從政，成為國學大師，或書畫名家，也未可知。

1939年6月6日，徐世昌于天津病逝，享年85歲。