土壌凍結の際、土壌の中に存在する水分が氷晶分離を起こす。氷晶分離についてTaberの研究により、以下の2点が明らかにされている。氷晶分離は直径0.01mm以下の組成を持つ物質で生じやすい。氷晶は、表面に垂直な方向に成長する。これは、熱がもっとも速く伝達される方向である。
凍結融解作用は、現在、地表の70%近くに及ぶ広さでこの作用が見られると言われている。熱帯の山地では昼夜の周期で凍結融解作用が働くことで日周的凍土が、また温帯の山地ではそれに加えて季節的凍土が生じる。寒帯の永久凍土地帯でも、夏になると地表部1m前後が融解する。水は凍ると体積が約9%増加する。このことにより割れ目に入り込んだ水分の凍結で起こる岩石の破砕（凍結破砕作用）、地下に向かって冷却が進むことで起こる凍結面の凍上、また凍上に伴って起こる作用によって様々な地形が形成される。凍結融解作用による効果が顕著な地形の多くが周氷河地形と呼ばれる。
1953年にフリーメイソンのプリオリー・ロッジに加入した。1961年に同ロッジのマスターに就任。その後、メリディアン・ロッジNo12やロイヤル・シャムロック・ロッジNo32に参加した。1965年には南東州のグランドマスター代理となった。1981年12月からアイルランド・グランドロッジ・グランドマスターに就任し、以降11年にわたって在職した。
1973年、大分市議会議員に当選。1979年には大分県議会議員に当選し、2期務めた。1986年7月、第38回衆議院議員総選挙に出馬するも落選。1990年2月、第39回衆議院議員総選挙に初当選（当選同期に岡田克也・佐田玄一郎・中谷元・森英介・福田康夫・石原伸晃・河村建夫・塩谷立・細田博之・古屋圭司・松岡利勝・小坂憲次・山本拓・赤城徳彦など）。3期連続当選したが、2000年6月の第42回衆議院議員総選挙では民主党の釘宮磐に敗れ、比例区でも復活できずに落選した。2003年11月の第43回衆議院議員総選挙では無所属（民主党推薦）の吉良州司に敗れたが、比例九州ブロックで復活当選。2004年9月、厚生労働副大臣に就任。2005年7月5日の郵政国会では、郵政民営化に造反して反対票を投じたため、副大臣を罷免された。同年9月11日の第44回衆議院議員総選挙では、自民党大分県連が衛藤の公認を申請していた が、自民党本部は佐藤錬の公認を決定した。衛藤は無所属で大分1区から出馬したが、民主党に入党していた吉良に再び敗れ落選。2007年（平成19年）7月29日の第21回参議院議員通常選挙で比例区からの立候補を希望し、自民党に公認を申請したことが引き金となって前年末に続く郵政造反組復党問題が起こる。党内では前年末の「造反組議員」復党で内閣支持率が下がったことなどから根強い反対意見も有ったが、自民党党紀委員会では賛成10票、反対7票という異例の多数決となったが、復党が実現して比例代表候補となった。地盤が狭い元衆議院議員が参議院比例区に立候補する場合、通常は地元の票固めを行う。しかし衛藤の支持層を比例区で取り込もうと考えていた公明党への配慮から、自民党本部は復党にあたって地元大分での選挙活動を認めないなどの厳しい制約を課した。衛藤は福岡県に選挙事務所を置こうとしたが、公明党はそれについても「九州内では意味がない」と反発したため、最終的に東京・渋谷に選挙事務所を置くことになった。2007年6月11日に東京で開かれた「えとうせいいち君を激励する会」では、文部科学大臣の伊吹文明や自民党幹事長の中川秀直、自民党政調会長の中川昭一などが支援を表明した。地元大分で活動できない中、202,314票を獲得して党内13位で当選。2007年12月12日、参議院本会議において野党提出の郵政民営化凍結法案の採決で棄権したため、自民党参議院議員会長の尾辻秀久から厳重注意処分を受けた。衛藤は「ボタンの押し忘れ」などと主張した。2008年（平成20年）4月14日、自民党大分県連により、県連復帰が承認された。これに対して、公明党大分県本部代表で当時県議だった竹中万寿夫が同日の自民党県連年次大会出席を急遽取り止めた。竹中は衛藤の県連復帰により、「自公の信頼関係が崩れ、今後の自公協力が厳しくなる」と述べた。2010年（平成22年）1月、議員グループのぞみに参加。自民党障害者特別委員長を務める。2011年、自民党参議院幹事長代行に就任。2012年12月、第2次安倍内閣の内閣総理大臣補佐官（国政の重要課題担当）に就任。2013年（平成25年）4月23日、みんなで靖国神社に参拝する国会議員の会の一員として靖国神社に参拝。同年7月21日、第23回参議院議員通常選挙に比例区から出馬し204,404票を獲得して党内10位で再選。2019年の任期満了時点で71歳であり、70歳定年制の党の規約があるにも関わらず、他の6人と一緒に第25回参議院議員通常選挙で特例公認された。同年9月11日に発足した第4次安倍第2次改造内閣で一億総活躍担当、領土問題担当、内閣府特命担当大臣（沖縄及び北方対策、消費者及び食品安全、少子化対策、海洋政策）として初入閣。