Двадцатилетний, относительно спокойный период жизни Омара Хайяма при дворе Малик-шаха оборвался в конце 1092 г., когда при невыясненных обстоятельствах султан скончался. За месяц до этого был убит его визир Низам ал-Мулк. Средневековые источники обвиняют исмаилитов в смерти этих двух покровителей Омара Хайяма. В то время Исфахан был одним из главных центров исмаилизма – религиозного антифеодального течения в мусульманских странах. В конце XI в. исмаилиты развернули активную террористическую деятельность против господствовавшей тюркской феодальной знати. Таинственны и страшны рассказы о жизни Исфахана в это время, когда действовали исмаилиты, с их тактикой мистификаций, переодеваний и перевоплощений, заманивания жертв, тайных убийств и хитроумных ловушек. Так, Низам ал-Мулк, как повествуют источники, был зарезан исмаилитом, проникшим к нему под личиной дервиша – странствующего мусульманского монаха, а Малик-шах – тайно отравлен.

Вдова Малик-шаха Туркан-хатун, опираясь на тюркскую гвардию («гулямов»), добилась провозглашения султаном пятилетнего сына Махмуда и стала фактической правительницей государства. Положение Омара Хайяма при дворе пошатнулось. Он продолжал еще некоторое время работать в обсерватории, однако уже не получал ни поддержки, ни прежнего содержания. Одновременно Хайям все так же исполнял при Туркан-хатун обязанности астролога и врача.

В 1097 г. придворная карьера Омара Хайяма закончилась. Исфахан после смерти Малик-шаха вскоре потерял свое положение царской резиденции и главного научного центра, столица вновь была перенесена в Хорасан, в город Мерв. Хайям предпринял попытку заинтересовать новых правителей в субсидировании обсерватории, написав «Наурузнаме» – книгу явно «популистского» характера об истории празднования Науруза, солнечного календаря и различных календарных реформ. Она полна различных неправдоподобных анекдотов, ненаучных примет, нравоучений, легенд и вымыслов. Увы, это не помогло – Исфаханская обсерватория пришла в запустение и была закрыта.

О позднем периоде жизни Омара Хайяма известно так же мало, как и о его юности. Источники указывают, что некоторое время Омар Хайям жил в Мерве. К его славе как выдающегося математика и астронома в эти годы прибавилась крамольная слава вероотступника. Ревнители ислама возмущались вольнодумством поэта и очевидным несоответствием его суждений канонам шариата. Отношения Хайяма с высшим духовенством резко ухудшились и приняли столь опасный для философа характер, что он вынужден был, в уже немолодые годы, совершить долгий и трудный путь паломничества в Мекку (хадж). Ал-Кифти в «Истории мудрецов» сообщает: «Когда же его современники очернили веру его и вывели наружу те тайны, которые он скрывал, он убоялся за свою кровь и схватил легонько поводья своего языка и пера и совершил хадж по причине боязни, не по причине богобоязни, и обнаружил тайны из тайн нечистых. Когда он прибыл в Багдад, поспешили к нему его единомышленники по части древней науки, но он преградил перед ними дверь преграждением раскаявшегося, а не товарища по пиршеству. И вернулся он из хаджа своего в свой город, посещая утром и вечером место поклонения и скрывая тайны свои, которые неизбежно откроются. Не было ему равного в астрономии и философии, в этих областях его приводили в пословицу; о если бы дарована была ему способность избегать неповиновения Богу!»

В какой-то момент Хайям возвратился в Нишапур, где прожил до последних дней жизни, лишь изредка покидая его для посещения Бухары или Балха. Ему к тому времени было, по-видимому, более 70 лет. Возможно, Хайям вел преподавание в Нишапурском медресе, имел небольшой круг близких учеников. Он мало общался с людьми и дружил в эти годы только с книгой. По словам ал-Байхаки, в конце жизни Хайям «имел скверный характер», «был скуп в сочинении книг и преподавании». Историк Шахразури сообщает, что ученик Хайяма Абу-л-Хатим Музаффар ал-Исфа-зари «к ученикам и слушателям был приветлив и ласков в противоположность Хайяму».