2010年4月8日、自民党総裁の谷垣禎一に直接会って離党届を提出し、同年4月10日に結党されたたちあがれ日本に参加、党参議院会長に就任。自民党会派を離脱したことを受けて、同年4月14日に参議院懲罰委員長を辞任した。自民党宛の離党届は同年4月27日の党紀委員会で了承された。2012年12月の第46回衆議院議員総選挙において参議院議員から鞍替えし、比例東海ブロックの日本維新の会からの出馬を表明した。同年12月4日、第46回衆議院議員総選挙の公示を受けて比例東海ブロックへ日本維新の会から単独立候補1位として出馬し、公職選挙法の規定により参議院議員を退職（失職）。選挙の結果、衆議院議員に当選した。維新では国会議員団総務会長兼国会議員団選挙対策委員長を務めた。なお、日本維新の会執行役員で総務会長を務めていた大阪府議会議員の東徹は2013年の参議院議員選挙で当選し、参議院議員となったが、国会議員団総務会長は引き続き藤井が務めた。2014年日本維新の会分党にともない次世代の党に参加。同党総務会長、選挙対策委員長に就任した。同年12月14日、第47回衆議院議員総選挙に比例東海ブロックへ次世代の党から単独立候補1位として出馬したが、落選した。選挙後、太陽の党に移籍した園田博之に代わり党顧問に就任した。
第1期日韓歴史共同研究に委員会研究委員（第1科古代）として参加し、「5世紀の日韓関係-倭の五王と高句麗・百済-」を発表している。遣唐使の停止について、菅原道真の建議による従来の廃止説を、寛平6年（894年）の遣唐使計画を詳細に研究した結果、宇多天皇の主導で56年ぶりに遣唐使再開が計画されたが、道真の遣唐大使や副使などの地位は保ったまま、この遣唐使計画を建議で一時停止で引き延ばしているうちに、唐自体の滅亡で消滅したと検証した。石井は『菅家文草』所収の2通の文書を検討し、道真の建言は630年以来続く遣唐使派遣を問題視したのではなく、自らが大使に任命され、派遣が決定していた894年の遣唐使派遣の中止を訴えたにすぎず、さらに『日本紀略』寛平6年9月30日条「其の日、遣唐使を停む」にある「其日」を検討し、9月30日に遣唐使停止が決定されたなら、建言の16日後で期間が短いため、この遣唐使は当初から派遣する用意がなかったなどの説を批判し、「其日」は「某日」と同じ意味であり、日付不明記事を編年体歴史書に繋げる書式であることを『日本紀略』の「其日」「某日」の使用例から摘出し、明らかにした。鈴木靖民は「石井は史料の用語の吟味から始め、また後には時の外交と内政を関連させて解き明かす視座を示」し、「石井による日唐関係のポイントになる事実を疑い、描き直そうとするいくつもの成果が公にされて、奈良・平安時代の遣唐使を軸にして展開した唐との関係史の理解が塗り替えられ、歴史像の再構築が期待される状況に近づいた」と評している。渤海から日本へ贈られた第一回国書の分析を通して渤海王の自称「高麗国王」が日本の要求に迎合したものであることを明らかにした。赤羽目匡由は「緻密な論証をともない説得力のある議論にまで引きあげたのが石井正敏氏である」「渤海王の『高麗国王』自称について、現在問題となるのは、それが自発的なものであるか、そうではなく日本に迎合したものに過ぎないかという点になろう。ただこうした問題点は現在、日本ではほとんど議論の対象とされない。それは先述の石井説がきわめて説得力に富むために定説となっているからである」と述べている。古畑徹は「渤海使の史料を見ると、八世紀後半に、日本が渤海を『高麗』と呼び、渤海王も『高麗国王』を自称する時期がある。日本は、第一次渤海使がもたらした国書で渤海が高句麗の後継を自認していることを知るが、そこでイメージした高句麗像は、かつて臣属朝貢していた高句麗であった。そのため、日本は渤海を朝貢国とみなして『高麗』と称することを要求し、渤海も円滑な外交関係を最優先し、第四次渤海使から『高麗国王』を自称する。『高麗国王』自称は高句麗継承の強い自己認識の表れとする異論もあるが、石井正敏の丁寧な考証によるこの理解は揺るがない」と述べている。753年の唐の朝賀の儀式において、日本より新羅の方が上位であったことに大伴古麻呂が呉懐実に抗議して席を変更させたことをめぐり、この事件を『続日本紀』の虚構である、遣唐使の復命の差異の虚偽であるという極論があったが、石井は唐の史書に呉懐実を探し出し、実在と職務を立証し、2007年に西安で呉懐実の墓誌がみつかり、そこに刻まれる閲歴により石井の主張したとおりに将軍の職位にあり、皇帝にも近い宦官であることが証明され、鈴木靖民は「石井による推論の正しさが証明されたことにほかならず、その彗眼は驚嘆に値するとして褒め過ぎではない」と述べている。1990年代以降は成尋やその行記である『参天台五台山記』及び奝然の行状を研究し、日宋関係の業績も次々に挙げた。また、田中健夫のもとで『遣唐使研究と史料』『善隣国宝記』などの共同校訂・訳注、『対外関係史総合年表』『対外関係史辞典』の編集にも従事した。