1918年，在选举民国第二届总统之际，段祺瑞、冯国璋相持不下，一向两面都不得罪的徐世昌遂作为“理想人选”得任总统。为此徐世昌还请示早已退位的溥仪，“得其恩准”。

然而徐世昌当这个总统是很难受的，1919年5月4日，爆发了五四运动。在运动之初，徐世昌力图保持和学生之间的谅解态度。5月5日，众矢之的的曹汝霖首先向大总统递上了辞职书。徐世昌对曹在竭力挽留的同时也颇多慰言:“该总长从政有年，体国公诚，为本大总统所深识。该总长因公受累，实疚于怀”，并请他“务以国家为重，照常供职，共济艰难，所请应毋庸议”，随后，又以类似的语言慰留陆宗舆。另一方面，在教育总长等的强烈要求下，徐世昌也于5月7日下令全部释放了因“火烧赵家楼”而被逮捕的学生，仍然表示出一种要平息事态的态度。

5月下旬，五四运动范围不断扩大，从北京波及全国，由学界推至各界。迫于形势，徐世昌不得不采取强硬的措施:明令禁止学生集会、游行、演说、散发传单；加强舆论控制，实行新闻检查；任命仇视学生的军阀王怀庆代替李长泰为步军统领。在巴黎和会签字与否的问题上，徐世昌也改变了原来犹豫不决的态度，于5月23日致电在巴黎的中国代表团，即使不能保留山东条款，也要全约签字。次日，政府把主张签字的通告致电各省，名为征求意见，实为争取支持。6月3、4两日，北京学界继续上街演讲。军警根据徐世昌的禁令，逮捕了近千名学生，关在北大三院校舍。军警还在北大外面搭起帐篷，包围了北大。

然而“六三”事件却引发了更大规模的声援活动，从上海开始，除了学生罢课外，商人罢市、工人罢工，把五四运动推向了最高潮。在全国人民的强大压力下，徐世昌只好再次改变策略，先是“丢车保帅”，于6月10日下令辞去了曹、章、陆三人的职务；既而施行“苦肉计”，自己主动向参、众两院提出辞职。徐世昌的辞职立即在政界引起了震动。辞职书刚送到国会，参、众两院的议长就亲自登门把原件退回。而徐的政敌、在运动发生之初曾经大骂徐世昌的段祺瑞，这一次则亲至徐宅，对徐世昌进行挽留。次日，各地挽留徐的电文也像雪片般地飞来，一时颇有“总统一职非徐莫属”的势头。至此徐算是稳住了阵脚。

6月28日，徐世昌亲自接见群众代表，表明了政府的态度，即电告在巴黎的中国代表团，如不能保留山东问题，中国将不予签字。五四运动要争取拒签的目的在表面上已经达到了，徐世昌本人也算保住了自己的地位。

在被曹锟、吴佩孚逼下台之后，徐世昌回到位于天津的公寓，过起了诗、书、画陪伴的“隐逸”生活。他出身翰林，博学多才，文章诗词书画皆精，传统文化造诣很深，且颇有成就。他的诗、书、画不轻易送人，因而流传不多。退隐后，他在北京的班大人胡同设立“徐东海编书处”，编《清儒学案》208卷，并创作诗词5000余首，楹联一万余副，多为质量上乘之作。如不从政，成为国学大师，或书画名家，也未可知。

1939年6月6日，徐世昌于天津病逝，享年85岁。