Занимаясь внешней политикой, Воронцов оказался в напряженных отношениях с канцлером А. П. Бестужевым-Рюминым. По этой причине в середине 1740-х годов, взяв отпуск, он отправился в длительное заграничное путешествие по Германии, Италии, Франции и Голландии. В 1756—1762 годах Воронцов — член Конференции при Высочайшем дворе. В 1758 году Бестужев-Рюмин был отправлен в ссылку, а Михаил Илларионович стал государственным канцлером. С 1758 года он возглавил внешнюю политику России, был сторонником профранцузской ориентации в международных отношениях. В 1759 году году стал сенатором.
Воронцов покровительствовал М. В. Ломоносову. После смерти исследователя он приобрел его архив и установил мраморный памятник над его могилой в Александро-Невской лавре.
После смерти Елизаветы Воронцов пользовался особым расположением нового государя Петра III. При перевороте 1762 года он отказался присягать Екатерине II, пока был жив законный наследник престола, однако сохранял пост канцлера вплоть до 1765 года, хотя прежним влиянием уже не пользовался. Он предпринял новое путешествие по Европе. Получив в 1765 году полную отставку, Воронцов осел в Москве, где через два года умер от чахотки.
Современники по-разному отзывались о Михаиле Илларионовиче. Одни считали его человеком недалеким, другие восхищались проницательностью его ума и обширностью познаний.
В Санкт-Петербурге графу принадлежал знаменитый Воронцовский дворец (Садовая ул., 26), который создавался в 1749—1758 годах по проекту крупнейшего российского барочного зодчего Ф. Б. Растрелли.