刘统勋接手后，一方面身先士卒认真落实科学治水之策，另一方面积极打击、弹劾在治水过程中贪污腐败的官员，甚至连乾隆皇帝的老丈人高斌都敢于参劾。在这种背景下，山东、河南等地的水患很快被治理完毕，刘统勋也因此被乾隆倚重，升任军机处行走，从此成为皇帝的左膀右臂。
之后刘统勋因为年事已高，主要以掌管文事为主，但乾隆还是多次委派他前往地方治理水患。而刘统勋每次授命之后，都是兢兢业业，一丝不苟。因治理水患功勋卓著，多次得到乾隆皇帝嘉奖。在乾隆三十八年（1773年）时，刘统勋突然病逝于上班途中的轿子内，享年76岁。
乾隆闻讯后，亲自前往刘家吊唁，没想到刘家门楣低矮，皇帝的轿子竟然无法通过，无奈拆了轿顶皇帝才勉强进入刘家院落。吊唁之后，乾隆回到乾清门的门口时，忍不住扶柱痛哭，对随行大臣们说："刘统勋真不愧为真宰相，朕至此失一肱骨。"随后他下令将刘统勋列为五阁臣之一，追授太傅，赐谥号文正。
