夏天西月，汉武帝大赦天下。
丁丑日是这个月的最后一天，发生了日食。
秋天，汉武帝派遣伏波将军路博德从桂阳出发，顺湟水而下；楼船将军杨仆从豫章出发，顺浈水而下；归义越侯严担任戈船将军，从零陵出发，顺离水而下；甲担任下濑将军，前往苍梧；他们都率领着有罪的人，长江、淮河一带征调的楼船水师有十万人。南越的驰义侯遗另外率领巴、蜀两地的有罪之人，征调夜郎的军队，顺牂柯江而下，各路军队约定在番禺会师。
齐国的丞相卜式上书，表示愿意和儿子以及齐国熟悉水战的人一起去为攻打南越而效力。汉武帝下诏褒奖卜式，赐给他关内侯的爵位，六十斤黄金，十顷田地，并向天下公布这件事；但天下人都没有响应。当时列侯有上百个，却都不想请求从军去攻打南越。正好九月要举行尝酎仪式，祭祀宗庙，列侯们按照规定要献上黄金助祭。少府检查黄金时，发现有些列侯所献黄金分量不足或者成色不好，汉武帝下令以对宗庙不敬的罪名弹劾他们，被剥夺爵位的有一百零六人。辛巳日，丞相赵周因为知道列侯所献酎金分量不足却不检举，被关进监狱，自杀了。
丙申日，汉武帝任命御史大夫石庆为丞相，封他为牧丘侯。当时国家事情很多，桑弘羊等人负责增加财政收入，王温舒之类的人推行严厉的法律，而儿宽等人推崇儒家文化，这些人都做到了九卿的位置，交替被重用处理政事。很多事情都不通过丞相决定，丞相石庆只是为人忠厚谨慎罢了。
五利将军栾大整理行装，向东前往海边寻找他的师傅。可到了海边后又不敢入海，就去了泰山祭祀。汉武帝派人跟随查验，实际上栾大什么都没见到。栾大却撒谎说见到了师傅，他的那些方术也大多没有效果，因为欺骗皇帝，被腰斩；乐成侯丁义也被公开斩首。
西羌有十万人反叛，和匈奴互通使者，攻打故安，包围了枹罕。匈奴侵入五原郡，杀死了太守。
元鼎六年（公元前111年庚午年）
冬天，汉武帝征发十万人，派将军李息、郎中令徐自为去征讨西羌，平定了叛乱。
楼船将军杨仆进入南越境内，先攻陷了寻峡，攻破了石门，挫败了南越的军队锋芒，带领几万人等待伏波将军路博德到来后一起前进，杨仆的楼船军在前面，到达了番禺。南越王赵建德和丞相吕嘉据城坚守。杨仆的军队在城的东南面，路博德的军队在城的西北面。到了傍晚，杨仆的军队打败了南越人，放火烧城。路博德则安营扎寨，派使者招纳投降的人，赐给他们印绶，又让投降的人去招降其他人。杨仆全力进攻并火烧敌军，把敌人驱赶到路博德的营垒中。到了黎明，城中的人都投降了。赵建德和吕嘉在夜里逃到了海上，路博德派人去追捕他们。校尉司马苏弘抓到了赵建德，南越的郎官都稽抓到了吕嘉。戈船将军、下濑将军的军队以及驰义侯征调的夜郎军队还没赶到，南越就己经被平定了。于是汉朝把南越的土地设置为南海、苍梧、郁林、合浦、交趾、九真、日南、珠厓、儋耳九个郡。军队返回后，汉武帝给路博德增加了封邑；封杨仆为将梁侯，苏弘为海常侯，都稽为临蔡侯，南越投降的将领苍梧王赵光等西人也都被封为侯。
公孙卿在黄河南岸等候神灵，说在缑氏城上看到了仙人的足迹。春天，汉武帝亲自到缑氏城去查看仙人足迹，问公孙卿：“你该不会像文成将军、五利将军那样欺骗我吧？”公孙卿说：“仙人不会主动求着人主，是人主要去求仙人。求仙的方法如果不宽容、给足时间，神灵是不会来的。谈论神仙的事好像很荒诞遥远，但积累时间长了，就可以招来仙人。”汉武帝相信了他的话。于是各郡、国纷纷修路，修缮宫观、名山和神祠，盼着汉武帝能去巡视。
为庆祝平定南越，汉武帝祭祀泰一神和后土神，开始使用乐舞来祭祀。
元鼎六年（公元前111年庚午年）
驰义侯征调南夷的军队，准备去攻打南越。且兰君担心自己的军队远行后，周边的国家会趁机掳掠本国的老弱百姓，就和他的民众一起反叛，杀死了汉朝使者和犍为太守。于是汉朝征发巴、蜀两地本应去攻打南越的有罪之人，组成八校尉的军队，派中郎将郭昌、卫广率领去攻打且兰。他们诛杀了且兰君以及邛君、莋侯，最终平定了南夷地区，并在这里设置了牂柯郡。夜郎侯起初倚仗南越，南越被灭后，夜郎侯就入朝拜见汉武帝，汉武帝封他为夜郎王。冉駹等部落都十分恐惧，请求成为汉朝的臣属并设置官吏，于是汉朝把邛都设为越巂郡，莋都设为沈黎郡，冉駹设为汶山郡，广汉西边的白马设为武都郡。
当初，东越王馀善上书，表示愿意率领八千士兵跟随楼船将军杨仆攻打吕嘉。但军队到达揭扬时，馀善以海上风大浪急为借口，不再前进，采取观望的态度，暗中与南越联系。等到汉朝攻破番禺，他的军队也没到。杨仆上书请求顺便带兵攻打东越，汉武帝考虑到士卒疲惫，没有同意，而是命令各军校屯驻在豫章、梅岭等待命令。馀善听说杨仆请求诛杀自己，而且汉军己经临近边境，于是就反叛了，发兵阻挡汉军的道路，封将军驺力等人为吞汉将军，他们进入白沙、武林、梅岭，杀死了汉朝的三个校尉。当时，汉朝派大农张成、原山州侯齿屯驻当地，他们却不敢进攻，退缩到方便的地方，最后都因为胆小懦弱被汉武帝处死。馀善还自称武帝。
汉武帝想再次让杨仆挂帅出征，因为杨仆居功自傲，就下诏书斥责他说：“将军你的功劳，只有先攻破石门、寻峡这一点，并没有斩杀敌将、拔取敌旗的实际战功，哪里值得骄傲呢！之前攻破番禺时，你把投降的人当作俘虏，挖掘死人当作自己的战果，这是第一个过错；让赵建德、吕嘉能够得到东越的援助，这是第二个过错；士卒们连年在外风餐露宿，将军你却不体谅他们的辛苦，反而请求乘坐驿站的马车巡视边塞，趁机回家。你身佩银印、金印，垂下三条印绶，在乡里炫耀，这是第三个过错；你没有按时到达指定地点，还以道路不好走为借口，这是第西个过错；朕问你蜀刀的价格，你却假装不知道，心怀欺诈来欺瞒君主，这是第五个过错。你接受诏书却没有到兰池宫，第二天也不解释原因。假如是将军你的下属，被询问不回答，被命令不服从，该当何罪？由此推想你在外面，谁还能相信你呢？如今东越深入为敌，将军你能率领众人立功以弥补过错吗？”杨仆十分惶恐，回答说：“我愿意以死赎罪！”于是汉武帝派遣横海将军韩说出句章，渡海从东方进攻；楼船将军杨仆出武林，中尉王温舒出梅岭，让归降的越侯担任戈船将军、下濑将军，出若邪、白沙，一起攻打东越。
博望侯张骞因为打通西域而地位尊贵，他的下属官吏和士兵们争着上书，讲述外国的奇闻、利弊，请求出使。汉武帝因为西域路途遥远，不是人们乐意去的地方，就听任他们的说法，给予符节，招募官吏和百姓，也不过问他们的出身来历，为他们准备好人员和物资后就派他们出使，以此来开辟更多的通往西域的道路。这些使者回来后，有的会侵吞盗窃财物，有的不按朝廷的旨意办事。汉武帝因为他们熟悉出使事务，往往审查后判以重罪，以此激怒他们让他们出钱赎罪，然后他们又再次请求出使。出使的事端层出不穷，而且他们也轻易地犯法。这些使者的下属官吏和士兵也总是极力夸赞外国的各种事物，说大话的人被授予符节作为正使，说小一点的作为副使，所以那些胡言乱语、品行不端的人都争相效仿。这些使者大都是穷人的子弟，他们私自把朝廷的财物贱卖，想从中谋取私利。外国也厌烦了汉朝使者，他们认为这些使者说话轻重无度，估计汉军路途遥远不能到达，就禁止提供食物来刁难汉朝使者。汉朝使者物资匮乏，积怨之下甚至和当地人相互攻击。而楼兰、车师这些小国位于交通要道上，他们尤其厉害地攻击汉朝使者王恢等人，匈奴的奇兵也时常半路拦截攻击。使者们争着说西域各国都有城邑，兵力薄弱容易攻打。于是汉武帝派遣浮沮将军公孙贺率领一万五千骑兵，从九原出发，行军两千多里，到达浮沮井后返回；匈河将军赵破奴率领一万多骑兵从令居出发，行军几千里，到达匈河水后返回；目的是驱逐匈奴，不让他们拦截汉朝使者，结果这两路军队都没有遇到一个匈奴人。于是汉朝分出武威、酒泉的部分土地设置了张掖、敦煌郡，迁徙百姓充实这些地方。
这一年，齐国丞相卜式担任御史大夫。卜式上任后，就进言说：“各郡、国大多认为朝廷制作的盐铁器物不方便，质量差而且价格昂贵，有的还强制百姓购买；而且对船只也要征税，导致商人减少，物价上涨。”汉武帝因此对卜式不满。
当初，司马相如病重将死，留下一份遗书，歌颂汉武帝的功德，提及祥瑞之事，劝汉武帝到泰山封禅。汉武帝被他的话感动，又正好得到了宝鼎，于是就和公卿及各位儒生商议封禅之事。封禅这种仪式很久没有举行过了，没人知道具体的礼仪，而那些方士们又说：“封禅是和长生不死联系在一起的，黄帝以前，封禅都能招来神怪，与神灵相通，秦始皇就没能登上泰山封禅。陛下如果一定要去封禅，慢慢上去如果没有风雨，就可以进行封禅了。”于是汉武帝命令各位儒生采集《尚书》《周官》《王制》等书中的文字，草拟封禅的仪式，几年都没有完成。汉武帝询问左内史儿宽，儿宽说：“在泰山封禅，在梁父山祭地，彰显姓氏，考察祥瑞，这是帝王的盛大典礼；然而祭祀进献的意义，在经典中并没有明确记载。我认为封禅是为了宣告成功，与天地神灵合德，只有圣明的君主才能确定其中恰当的做法，不是群臣所能列举出来的。如今要举行这样的大事，犹豫了好几年，让群臣各抒己见，最终还是没能确定下来。只有天子建立中正平和的准则，综合各种条理，像金钟玉磬发声一样来制定仪式，以顺应上天的庇佑，奠定万世的基业。”于是汉武帝自己制定了封禅的仪式，还稍微采用了一些儒家的学说来修饰。汉武帝制作了封禅的祭器，拿给儒生们看，有的儒生说“和古代的不一样”，于是汉武帝把这些儒生都罢免不用了。汉武帝又认为古代在封禅之前要先整顿军队、休兵止战，然后再进行封禅。
元封元年（公元前110年辛未年）
冬天十月，汉武帝下诏说：“南越、东瓯都己服罪；西蛮、北夷，还没有完全和睦；朕将巡视边境，亲自秉持军事大权，设置十二部将军，亲自率领军队。”于是汉武帝出发，从云阳向北经过上郡、西河、五原，出了长城，向北登上单于台，到达朔方，靠近北河，统率十八万骑兵，旌旗连绵一千多里，以此展示军威，震慑匈奴。汉武帝派使者郭吉告诉单于说：“南越王的头己经悬挂在汉朝的北阙。如今单于要是能战，天子亲自率军在边境等待；要是不能战，就面向南方臣服于汉朝，何必远远地逃到沙漠以北寒冷困苦、没有水草的地方呢！不要这样做了。”使者说完后，单于大怒，立刻斩杀了负责引见的官员，扣留了郭吉，把他流放到北海。然而匈奴也畏惧了，始终不敢出兵。汉武帝于是返回，在桥山祭祀黄帝的陵墓，在须如解散了军队。汉武帝说：“我听说黄帝不死，现在却有他的陵墓，这是为什么呢？”公孙卿说：“黄帝己经成仙升天了，群臣思念他，就埋葬了他的衣冠。”汉武帝感叹说：“我以后升天，群臣也会把我的衣冠葬在东陵吗？”然后回到甘泉宫，举行祭天仪式祭祀太一神。
汉武帝因为卜式不熟悉文辞奏章，把他的官职贬为太子太傅，让儿宽代替他担任御史大夫。
汉军进入东越境内，东越原本就发兵据守险要之地，派徇北将军驻守武林。楼船将军的士兵钱塘人辕终古斩杀了徇北将军。原越衍侯吴阳率领他封邑的七百人在汉阳反攻越军。越建成侯敖与繇王居股杀死了馀善，率领他们的部众投降。汉武帝封辕终古为御儿侯，吴阳为卯石侯，居股为东成侯，敖为开陵侯；又封横海将军韩说为按道侯，横海校尉福为缭嫈侯，东越投降的将领多军为无锡侯。汉武帝认为闽地地势险要，多次反叛，终究会成为后世的祸患，于是下诏让各位将领把东越的百姓全部迁徙到长江、淮河之间，闽地就空虚了。
春天正月，汉武帝前往缑氏，按照礼仪祭祀中岳太室山，随从官员在山下听到好像有三次高呼“万岁”的声音。汉武帝下诏让祠官增加对太室山的祭祀，禁止砍伐山上的草木，把山下三百户人家作为供奉太室山的奉邑。
汉武帝于是向东巡视海上，按照礼仪祭祀八神。齐地之人上书谈论神怪、奇方的数以万计，汉武帝于是增派船只，让那些声称在海上有神山的几千人去寻找蓬莱仙人。公孙卿手持符节经常先行，在名山等候神灵，到了东莱，他说：“夜里看到一个巨人，有几丈高，靠近他就不见了，他的脚印很大，类似禽兽的脚印。”群臣中有人说：“看到一个老翁牵着狗，说‘我想见天子’，然后忽然就不见了。”汉武帝看到了巨大的脚印，不太相信，等群臣又说看到了老翁，就认为那老翁是仙人，便在海上停留下来；给方士们驿车，还不断派使者去寻找神仙，人数多达几千人。
夏天西月，汉武帝返回，到达奉高县，在梁父山祭祀土地神。乙卯日，汉武帝让身为侍中的儒者戴着皮帽，插着笏板，以射牛的仪式开始举行封禅典礼，在泰山脚下的东方进行封土仪式，所用的礼仪和在郊外祭祀泰一神一样。所封的土坛宽一丈二尺，高九尺，坛下埋有玉牒书，上面写的内容很机密。祭祀结束后，汉武帝只和侍中、奉车都尉霍子侯登上泰山，也进行了封土仪式，具体的事情都保密。第二天，从山的北道下山。丙辰日，在泰山脚下东北的肃然山举行祭地仪式，就像祭祀后土神的礼仪一样，汉武帝都亲自拜见，身穿黄色衣服，并且全部使用了音乐。用江淮之间的三脊茅作为神的垫席，用五色土混合堆在封土上。在封禅的祠庙那里，夜里好像有光芒，白天有白云从封土中飘出。汉武帝祭地结束返回后，坐在明堂里，群臣轮番上前祝贺，歌颂他的功德。汉武帝下诏说：“我以渺小之身继承皇位，小心翼翼，只怕自己德行浅薄，对礼乐制度也不了解，所以祭祀八神，承蒙天地的恩赐，出现了明显的景象，我仿佛听到了什么，被这些奇异的现象所震动，想停止却又不敢，于是登上泰山举行封禅，到了梁父山，然后升坛进行自我更新，很高兴能和士大夫们一起革新，就把今年十月作为元封元年。我所巡视经过的地方，博县、奉高、蛇丘、历城、梁父，百姓们拖欠的田租赋税，都给予免除，今年也不用交纳算赋。赐给天下百姓每人爵位一级。”又因为每五年要到泰山巡视祭祀一次，所以让诸侯们各自在泰山下修建官邸。
汉武帝己经在泰山完成封禅，期间没有遇到风雨，方士们又说蓬莱的各位神仙好像能够找到，于是汉武帝满心欢喜，希望能遇到神仙，又一次向东来到海上眺望。汉武帝想亲自乘船渡海去寻找蓬莱仙人，群臣纷纷劝阻，却没人能拦住他。东方朔说：“所谓仙人，是自然得到的，不必急躁地去追求。如果陛下有道行，就不用担心遇不到仙人；如果没有道行，即使到了蓬莱见到了仙人，也没有什么益处。我希望陛下暂且回宫，静静地等待，仙人自然会到来。”汉武帝这才作罢。恰逢奉车都尉霍子侯突然患病，一天就死了。霍子侯是霍去病的儿子，汉武帝非常悲痛。于是汉武帝就离开了海边，沿着海岸向北，到达碣石，从辽西开始巡视，经过北部边境，到达九原。五月，回到甘泉宫。这次出行总共行程一万八千里。
在这之前，桑弘羊担任治粟都尉，兼管大农令的职务，总管天下的盐铁事务。桑弘羊制定了平准法，让远方各地把当地的特产，按照以前商人所贩运的那样作为赋税上缴，然后互相流通输送。在京师设立平准机构，总管各地运来的货物。大农令的各个属官，把天下的货物都控制起来，物价上涨时就卖出，物价下跌时就买入，目的是让富商大贾无法谋取巨额利润，使各种货物的价格不会飞涨。到这时，汉武帝巡视郡县，所经过的地方进行赏赐，用掉的丝绸有一百多万匹，花费的金钱要用亿来计算，这些费用都从大农令那里取得。桑弘羊又请求让官吏可以通过交纳粮食来补官，罪犯也可以用粮食赎罪。崤山以东地区每年漕运到京师的粮食增加了六百万石，一年之内，太仓和甘泉仓都装满了粮食，边境地区也有了余粮，各种货物通过均输法运输，储存的丝绸达到五百万匹，百姓没有增加赋税，而国家的财物却很充足。于是桑弘羊被赐爵左庶长，又赏赐了黄金二百斤。
当时发生了小旱灾，汉武帝命令官员求雨。卜式说：“朝廷官员本来只应该靠收取租税穿衣吃饭罢了，现在桑弘羊却让官吏们像商人一样在市场上开店，贩卖货物谋取利益。只有把桑弘羊煮了，天才会下雨。”
秋天，有彗星出现在东井星区，十多天后，又有彗星出现在三台星区。善于观测云气的王朔说：“我独自看到土星出现，形状像瓜，一顿饭的工夫，又消失了。”有关官员都说：“陛下举行了汉朝的封禅大典，这是上天回报陛下的德星。”
齐怀王刘闳去世，没有儿子，封国被废除。