Po powrocie do Londynu w 1552 roku poznał Girolamo Cardano, włoskiego matematyka, lekarza i astrologa. Wspólnie prowadzili badania dotyczące perpetuum mobile. W latach 80. XVI wieku Dee nawiązał współpracę z medium Edwardem Kelleyem, z którym odbył liczne podróże po Europie Środkowej. Przez pewien czas przebywali na dworze Stefana Batorego, dokąd przybyli za namową Olbrachta Łaskiego, a następnie udali się na dwór cesarza Rudolfa II w Pradze. Kelley pozostał w Pradze, natomiast Dee powrócił do Anglii, gdzie objął stanowisko naczelnika Christ's College w Manchesterze.
Dee był trzykrotnie żonaty. Z trzecią żoną, Jane Fromond, poślubioną w 1578 roku, miał co najmniej ośmioro dzieci, w tym Arthura Dee, lekarza i alchemika, który kontynuował część zainteresowań naukowych ojca. W 1587 roku dom Dee w Mortlake został splądrowany podczas jego nieobecności, a znaczna część jego biblioteki i kolekcji naukowej uległa zniszczeniu. Jane Fromond zmarła podczas epidemii dżumy w 1605 roku.