朝廷日渐衰败，却也是用人之际。道光二十二年（公元1842年），牛树梅外放四川，出任雅安县知县；道光二十四年（公元1844年），改任隆昌县知县；道光二十五年（公元1845年），又任彰明县（今四川江油市）知县。3年间，牛树梅的任所换了3次，不过都在四川境内。每到一处，牛树梅都兢兢业业，勤政为民。也许正是这个原因，牛树梅从走上官场的那天起，官声就一直很好。道光二十七年（公元1847年），牛树梅得到提升，任资州（治所在今四川资中县）直隶州知州。清代的行政建制中，州有直隶州和散州之别，直隶州直隶于省，可以辖县，散州隶属于府、道，不辖县。当时的资州，属于直隶州，辖资阳、内江、井研、仁寿等县。不久，牛树梅又改任宁远府（今四川西昌市）知府。牛树梅在四川任职期间，把朱熹的名言“律己公廉，执事勤谨，昼夜孜孜，如临渊谷”写成条幅，挂于厅堂，作为自己为官执政的座右铭，被人们广为传颂。
牛树梅在雅安任知县时，当地一些地主为富不仁，不择手段地盘剥农民，特别是横行于民间的高利贷，逼得穷人家破人亡。为了救穷人于水火之中，牛树梅制定了抑富济贫、限制高利贷盘剥的政策。他规定：“借账取息至多不过三分。要账须凭证理索，如有违者定要拘案严办，银钱照例充公，决不宽贷。”对横行乡里的不法之徒，牛树梅更是从严打击，毫不手软。
四川的彰明县，与牛树梅的家乡通渭县一样，山大沟深，交通不便，人们的生存环境很差。牛树梅一有空闲，就深入民间，了解百姓疾苦，为百姓排忧解难。百姓们干什么，想什么，牛树梅掌握得清清楚楚。全面了解民风民情，对牛树梅审理案件提供了极大的帮助。在彰明任职期间，牛树梅从未办过一件错案、冤案。他每次处理纠纷，当事人都心服口服。
牛树梅在彰明县期间，总是把百姓的疾苦挂在心上。他注重民众教育，劝百姓互相帮助，互敬互爱，又劝有钱人一心向善，地方受灾时，鼓励富户开仓济贫，积德行善。当时，四川各地匪患猖獗，兵祸不断，为了百姓的安全，牛树梅在彰明县建立了民团，组织民团日夜巡逻，维持地方治安。经过一段时间的精心治理，彰明县政治清明，百姓安居乐业。牛树梅受到百姓的爱戴，大家开始叫他“牛青天”了。从此，“牛青天”的美名，一直跟着牛树梅。
牛树梅在彰明县时，为百姓做过不少好事，其中影响最大的一件事，就是收服强人何远富。当时的四川，百姓赋税徭役负担极重，官逼民反的事层出不穷。江油县人何远富被逼无奈，聚众起事，抢劫了中坝场（今中坝镇），惊动附近几个县。江油县的中坝场与彰明县的太平场相距很近。牛树梅得到消息，担心何远富顺便抢劫太平场，便立即率民团赶去。
何远富见牛树梅带着民团赶来，立即迎上前去。牛树梅为官清廉，为百姓办事，何远富非常清楚。他对牛树梅说：“牛青天，你怎么来了？你是彰明的知县，你将彰明治理得这样好，我何远富再坏，也不会践踏彰明的一草一木。请牛青天放心地回去吧！”牛树梅听了这话，只好带着民团返回县城。何远富说到做到，照样带人四处抢劫，却从不动彰明县的一草一木。
不久，何远富一伙被官军打散，何远富带着几个亲信，藏到一个叫白鹤洞的地方。他们依仗险要地形，与官军周旋。官军攻不下白鹤洞，就向山上喊话，要何远富投降。何远富一边抵抗，一边大声喊：“只要牛青天来，我就出洞下山，缴械投降！”起初，官兵们不相信，可是找不到别的办法，只好请来牛树梅。何远富见牛树梅真的来了，就捆绑了自己，走出山洞，向牛树梅投降。
牛树梅在彰明县期间，还办了一件大事，那就是兴办义学，让穷人家的子弟也能进学堂读书。他还设立养济院，专门收容无家可归的孤寡老人。
原本乱象丛生的彰明县，在牛树梅的治理下，治安状况大为改善，百姓赞不绝口。牛树梅调离彰明县时，全城百姓扶老携幼，蜂拥而来，为他送行。看到全城百姓都来为自己送行，牛树梅感动不已，流着热泪，口占一首绝句：“白叟黄童遮道观，争将马首绕团团。深愧抚字无良策，辜负若曹说好官。”
牛树梅在隆昌县任职时，见衙役中有人借百姓争讼而巧立名目，敲诈勒索，于是进行调查，一一作了处罚。为了从根本上杜绝这类丑恶现象，牛树梅制定规章并通过告示公布全县，严禁各级官吏讹诈百姓。他撰写了《公门修行录》一书，发给大小官吏学习，用以约束自己的言行。
在深入民间时，牛树梅发现乡间子女虐待父母的现象较多。他认为，所以出现这种现象，是官府教育子民不够，地方官有不可推卸的责任。为此，他在衙门大堂上立牌，自我警示：一月内不动荤，出入不鸣炮，行香不用乐，以示自责。
在资州任上，牛树梅致力于减轻百姓负担。一到资州，他发现州府积案太多，于是夜以继日审理积案。他说：“当官者一日不勤，下必受其害；今日可了之案推至明日，此中多受之委曲，多花之盘费，书役讼师之乘隙，父母妻儿之忧恐，又不知生出多少！”衙门中的所有公文，他都要亲自阅办；民间争讼，只要上告衙门，他都要亲自调解。他下乡办事，都是轻车简从，自备干粮马料，从不向地方摊派索取。
为了从根本上改变民风陋习，牛树梅写了《劝民语》《厘正风俗事》等宣传册子，广为散发，用来教育百姓。牛树梅认为，“善政不如善教”，“不教而诛终是长官之过”。因此，遇逢集市，他都要亲率下属，上街宣讲，宣传吸食鸦片给社会带来的危害，痛责赌博斗殴的恶习，提倡百姓勤劳致富，节俭生活。
牛树梅十分重视文化教育。每到一地，都要求地方兴办学校，多设私塾，让农家子弟读书识字。他多次带头捐俸，设立义学。他爱民如子，乡民每次受灾，他都要鼎力相助。
咸丰十一年（公元1861年）八月初，宁远发生大地震，宁远城陷没，死伤百姓无数，牛树梅被压在瓦砾中，长子恭玉被倒塌房屋压死。牛树梅从瓦砾中爬出来，不顾丧子之痛和自己身上的伤痛，亲率衙役，举锄挥铲，抢救伤民。灾民见牛树梅还活着，都说：“老天爷留下牛青天，是劝大家行善啊！”牛树梅与灾民同住简易的防震棚20多天，组织百姓自救，又四处奔走，上下求援，率领宁远百姓渡过了一次百年不遇的难关。
牛树梅在四川任职期间，政绩卓著，声名远扬。隆昌县的百姓为感谢牛树梅，要为牛树梅建德政牌坊和树德政碑。彰明县和资州府的百姓也提出，要为牛树梅修建生祠。牛树梅得到消息，急忙写信，严加制止。他在信中说：“此等迂腐事，敛钱招怨，是损我德，益我过，折我福，造我孽，是以魏忠贤视我也。如必欲成之，我亦必能毁之。”可是，当地百姓认为，不建德政牌坊，对牛树梅的感激之情无法表达。尽管牛树梅极力反对，隆昌县的百姓还是在城北关的道观坪上，修建了牛树梅德政牌坊。石坊的门楣和柱子上，刻有颂扬牛树梅的楹联，其正面的楹联为：“一心怜赤子；万口颂青天。”横披为“民之父母”。背面的对楹为：“两袖清风，骑来斋马留芳躅；满腔春意，化去飞鸿作好音。”横披为“终不可渲”。
咸丰元年（公元1851年），牛树梅因父亲去世而回家守制。咸丰三年（公元1853年），前四川总督、礼部尚书徐泽醇奏请朝廷，颁旨陕甘总督舒兴阿任用牛树梅。这年夏天，牛树梅被调从军，随军进驻天津静海一带。第二年春天，牛树梅因病回家。咸丰八年（公元1853年），湖北巡抚胡林翼、河南巡抚严谓春先后以牛树梅“以德化民”“循良第一”为由，奏请朝廷重新起用牛树梅。朝廷拟将牛树梅放任湖北，牛树梅借病力辞，未能成行。同治元年（公元1862年），在四川总督骆秉章、给事中高延祜的联名保奏下，牛树梅出任四川按察使。
牛树梅再次由甘肃入川，上任途中，致信沿途驿站，谢绝地当官员迎送。他在信中说：“自己随行夫马，本自无多；脚价盘费均已自备。所过州县，一切无烦供应。即迎送之礼，只在本城，万勿远劳。乞将此意传致前途，以免扰民为幸。”行至中途，他又致信沿途驿站，接待只备两席，上席一桌，半荤半素，不用多品；水席一桌，只用白菜豆腐等物。
牛树梅就任四川按察使之后，夜以继日，巡视各地，处理公务，平反了不少冤假错案。同治三年（公元1864年）四月，朝廷下旨，将牛树梅内调，牛树梅以年老多病为由，滞留成都。四川新任总督吴棠，遂聘请牛树梅出任成都锦江书院主讲。
同治十三年（公元1874年），牛树梅返回故里，致力于著书立说。牛树梅的著作，主要有《省斋全集》12卷、《闻善录》4卷，有刊本流行于世，另有未刊本《湑叶文存》《牛氏家言》《周易探源》《海国天域杂述》《雪樵诗存》等。
牛树梅年过古稀，可四川的百姓还惦记着他。光绪三年（公元1877年），四川彰明县百姓给牛树梅送来一副寿材。牛树梅离开彰明县快20年了，彰明县的百姓还挂念着他，竟不远千里送来寿材，这让牛树梅非常感动，当即向送寿材的人付银80两，作为酬谢。不久，彰明县的百姓又派人将银子如数送回。牛树梅看着银子，感慨万端，又修书一封，信中写道：“今将原银仍交原差带回，或书院，或养济院，以添一滴之润，余心尚可稍安也。”
光绪八年（公元1882年），牛树梅在家中与世长辞，享年84岁。牛树梅去世后，各地送来挽幛1000多幅，其中锦江书院的挽联，较好地概括了牛树梅的一生：“巴蜀颂名臣，斯人不负苍生望；关西传道统，夫子堪称汉儒贤。”
