En 1439 la situation politique s’envenima. Lorsque le concile de Bâle fut transféré à Ferrare puis à Florence, un groupe de schismatiques décida de rester à Bâle. Eugène fut déposé par ce concile frauduleux et le duc Amédée de Savoie (le père de Louis) fut élu à sa place (ce fut le dernier antipape de l’histoire). Amédée s’était retiré dans un monastère qu’il avait fondé en 1434, laissant à son fils la quasi-direction des affaires ducales, mais il n’abdiqua que lorsqu’il fut élu pape. Dufay refusa de choisir entre un patronage romain ou savoyard et il décida de retourner à Cambrai. Il s’installa comme chanoine à la cathédrale de Cambrai, un poste qu’il avait obtenu trois ans plus tôt. Il était ainsi proche de sa mère lorsqu’elle mourut en 1444.

Dufay put néanmoins retourner en Savoie en 1452, Amédée étant décédé un an plus tôt (il avait abdiqué comme antipape en 1449). Il y passa presque sept ans puis retourna à Cambrai en 1458 et resta à la cathédrale jusqu’à sa mort le 27 novembre 1474. Il devint également un habitué de la cour de Bourgogne qui était alors un centre artistique et musical éblouissant sous Charles le Téméraire. Il composa par exemple pour la cour de Bourgogne une série de six propres de la messe trouvés dans le manuscrit Trent 88, destinés à la chapelle de l’Ordre de la Toison d’Or à Dijon.

Alors que ses compositions de jeunesse, diffusées à de nombreux exemplaires, ont bien survécu, plusieurs œuvres de la maturité ont été perdues. Certaines, comme le premier Requiem polyphonique, sont mentionnées dans certains documents. Les manuscrits de cette période renferment plus de pièces anonymes que ceux compilés dans la première moitié du XVe siècle, et il est possible que certaines œuvres de Dufay aient survécu dans l’anonymat.