帝颁布诏书说：“南越、东瓯都已受到应有的惩罚，而西蛮、北夷尚未平服和睦。朕将巡视边疆，亲自主持武道，设置十二路将军，由我统率。”于是汉武帝离京出巡，自云阳向北，经上郡、西河、五原，出长城，再向北登单于台，直至朔方，来到北河，派使臣郭吉通知匈奴单于说：“南越国王的人头已经悬挂到大汉皇宫的北门阙上。如今单于若是能战，天子亲自率军在边境等候；若是不能战，就应归降大汉，为什么偏要远远地逃避到大沙漠以北，寒冷、困苦而又缺乏水草的地方呢？实在是没意思！”话音一落，单于大怒，立即将引见郭吉的官员斩首，同时扣留郭吉，将他迁徙到北海之畔。但此时匈奴也已丧失斗志，始终未敢出战。于是，汉武帝起驾回朝，在桥山祭黄帝陵，行至须如，将征调的兵卒遣散。汉武帝问道：“我听说黄帝长生不老，可如今有他的陵墓，这是为什么呢？”公孙卿回答说：“黄帝成仙升天以后，群臣相念于他，所以建陵将他的衣冠埋葬。”汉武帝叹道：“我将来升天后，群臣也会把我的衣冠葬在东陵吗？”回到甘泉宫，祭祀太一神。

汉武帝因卜式不善文辞，将其降为太子太傅，命宽代替卜式作御史大夫。

汉军进入东越国境，东越王早已派兵占据了险要地带，并命徇北将军镇守武林。杨仆部下士兵钱塘人辕终古将徇北将军斩杀。原东越衍侯吴阳率当地武装七百人背叛东越王，在汉阳进攻东越军队。名叫敖的东越建成侯与繇王骆居股杀死东越王骆馀善，率众归降。汉武帝封辕终古为御侯，吴阳为卯石侯，骆居股为东成侯，敖为开陵侯；又封横海将军韩说为按道侯，横海校尉福为缭侯，东越降将多军为无锡侯。汉武帝因闽越地区地势险恶，其人反覆无常，多次与汉朝为敌，终究是后世祸患，于是诏命各路将领将当地人全部迁到长江、淮河一带，于是闽越地区成为荒无人烟的地方。

春季，正月，汉武帝出巡至缑氏城，祭祀于中岳太室，随从官员在山下似乎听到有声音连呼三次“万岁”汉武帝命令主管祭祀的官员扩建太室祭祠，禁止砍伐山上草木，又将山下三百户百姓作为供奉太室的奉邑。

汉武帝东巡大海，祭祀八位神仙。齐人上书陈述神怪之事和奇异方术的数以万计，于是汉武帝增派船只，命声称海中有仙山的数千人出海寻找蓬莱神仙。公孙卿常携带天子符节，先行前往名山等候神仙驾临，行至东莱，声称：“夜中见一巨人，身高数丈，凑上前去，却又看不见了，所留脚印甚为巨大，类似禽兽的蹄迹。”群臣中又有人说道：“看到一位老翁，手中牵着一条狗，说：‘我想见天子。’说完忽然踪迹全无。”汉武帝亲自察看了巨大脚印，但还未相信；及至听说老翁之事，才认定就是神仙，于是留宿海边。供给方士驿马车辆，随时访求神仙踪迹。寻仙之人，数以千计。

夏季，四月，汉武帝起驾还朝，到达奉高，在梁父祭祀地主神。乙卯（十九日），汉武帝令担任侍中的儒家学者戴鹿皮帽，将笏板用丝带系在腰间，参加射牛仪式。在泰山东坡之下祭祀天神，如同祭祀泰一神的礼仪。祭坛宽一丈二尺，高九尺，坛下埋藏着汉武帝给神仙的玉牒书，内容隐秘。祭祀仪式结束后，汉武帝独自与侍中、奉车都尉霍子侯一起登上泰山，再行祭天之礼，一切过程都禁不示人。第二天，君臣从北道下山。丙辰（二十日），汉武帝在泰山脚下东北部的肃然山祭祀地神，如同祭祀后土神之礼，汉武帝身穿黄色衣服，在音乐的伴奏下一一亲自叩拜。用江淮地区出产的三棱茅草作为供神祭品的衬垫，用五种颜色的泥土做祭坛。在祭祀天地的神祠中，夜间仿佛有光，白天有白云从坛中产生。汉武帝祭完地神之 后，回到奉高，坐在明堂中，众大臣轮番上前歌功颂德，上寿祝福。汉武帝下诏说：“朕以渺小的身躯，继承至尊高位，兢兢业业，唯恐德才不足，不懂得礼乐，所以供奉八神，祈求庇护。蒙天地神灵恩赐祥瑞，目有所见，耳有所闻，震惊于其事怪异，想阻止却又不敢，于是登泰山祭祀天神，至梁父，然后在肃然山升坛祭祀地神，反省自新，与士大夫一起吉祥地开始新的生活。十月，改年号为元封元年。此次巡行所到之博县、奉高、蛇丘、历城、梁父等地，一概免除百姓的田租及欠交的赋税，不收今年的算赋。并赐天下有爵百姓擢升一级。”又规定：天子每五年巡游一次，至泰山祭祀，各诸侯封国都要在泰山脚下修建官邸。

汉武帝在泰山祭祀了天地，并无风雨，而方士们更加强调蓬莱山的神仙大概能够请到，于是汉武帝再次东至海边，兴高彩烈地盼望能遇到神仙。汉武帝打算亲自乘船出海去寻找蓬莱仙山，群臣劝谏，但无人能够阻止。东方朔说道：“与神仙相遇，要出于自然，不必急躁强求。若是有道述，就不愁遇不到；如果无道术，纵然到了蓬莱山，见到神仙，也没有益处。我希望陛下只管回到宫中，安静地等待，神仙自会降临。”汉武帝这才打消了出海的念头。正巧奉车都尉霍子侯突然重病，一日之间死去。霍子侯是霍去病的儿子，汉武帝非常难过，于是起驾离去，沿海岸北上至碣石，自辽西巡视北部边疆到九原，五月回到甘泉。此次出巡，行程共一万八千里。

当初，桑弘羊以治粟都尉的身分兼任大农令，主持全国的盐铁专营事务。桑弘羊创立平准法，令相距较远的地方官府以各自的特产作为贡赋，参考商人在不同时期向不同地区转贩不同商品的作法，相互转输。又在京师设立平准官，负责全国各地的转输事务，大农令所属各官，控制天下全部货物，价高时卖出，价低时买进，目的是让大商人无法牟取暴利，使各种货物的价格不能高涨。如今，汉武帝出巡各地，所到之处，赏赐丝织品共一百多万匹，金钱以万万计，都由大农令充分供应。桑弘羊又奏请以武帝批准，小吏可以用捐献粮食的办法升为官员，犯罪的人也可以用此法来赎罪。因此，崤山以东地区一年的漕粮比规定数目多出六百万石，一年之间，太仓、甘泉仓全部贮满，边塞地崐区的粮食储备也有盈余；各地货物相互流通，都有余裕，如丝织品就余出五百万匹。百姓赋税没有增加，而天下财物却变得富饶有余。于是，汉武帝赐给桑弘羊左庶长爵位和黄金二百斤。