元封二年（前109年）春，公孙卿上书汉武帝，说自己在东莱山见到了仙人，那仙人好像说了“想见天子”之语。
汉武帝信以为真，于是率众前往缑氏城，任命公孙卿为中大夫，然后又向东抵达东莱，在该地留宿了数日，除了公孙卿所谓的巨大神仙脚印之外，什么也没有看到。汉武帝无法，只好又派出数以千计的方士去寻找神仙奇物，采集灵芝仙药。
同年，汉朝境内发生严重旱灾，在东莱苦等无果的情况下，汉武帝便又率众前往万里沙祈求降雨，路过泰山时又举行了祭祀。在万里沙祈雨完毕后，汉武帝返回长安，途中路过瓠子口，汉武帝亲自巡视黄河决口情况。
自元光三年（前132年）黄河瓠子口决堤以来，东南一带连年遭受水患，汉武帝年年派人前往治理，历经二十多年却始终没有成效。眼看又到汛期，汉武帝便亲自来到了堵塞黄河决口的现场，并在此停留了两日，接见了负责治理河道的官员，重新议定了治河方略。之后，汉武帝命人沉白马于河中，以祭祀河神，又派两位将军率领数万士兵协助堵塞决口、梳理河道，将黄河分成两条河渠，使河道恢复到当初大禹治水后的面貌。
汉武帝返回长安后不久，又有归附的越人勇之进言说，“越人自古便有信鬼的习俗，而且他们祭祀时都能见到鬼，所求之事也能屡屡应验。从前东瓯王敬鬼，寿命达到一百六十多岁，然而由于后世子孙怠慢了鬼，这才使得国家日渐衰微。”
关于南方楚越之地多崇信鬼神，汉武帝也曾有所耳闻，但由于与中原文化差异太大，汉武帝始终没有太过重视，如今在求仙失败，飞升亦失败的情况下，汉武帝便有心尝试一番，于是下令越地巫师建立越祠，因其并非中原文化正统，因而只允许设台而不许设立祭坛，在祭祀天神上帝百鬼的同时，采用鸡卜方式占卜吉凶祸福（即采用鸡骨或鸡卵占卜）。
虽然春秋战国时期楚地的鬼神文化极为繁盛，但自秦始皇统一天下以来，受中原文化的影响，楚地的山鬼文化已经逐渐式微，山鬼文化更多被局限于越人和楚国南部远离中原的地区，如今听说皇帝也相信这些，却使得原本已经衰微的山鬼文化重新活跃了起来，越祠和鸡卜都重新得以流行。
公孙卿得知消息，担心方士因此失宠，便劝说汉武帝道，“仙人实际上是可以见到的，只是陛下去求仙的时候总是太过仓促，因此才见不到。不如陛下修建一座台阁，就像缑氏城所建的一样，摆上干肉枣果之类的祭品，想必也能够招来仙人，毕竟仙人喜欢居住楼阁。”
汉武帝便又命人在长安建造了蜚廉观和桂观，还在甘泉宫建造了益延寿观，命令公孙卿负责掌管这些楼阁，摆放祭品迎候仙人。随后，汉武帝又下令建造了通天台，在台下摆设祭品，希望能够招来神仙。之后，又在甘泉宫设置前殿，增建宫室。
同年夏，宫殿内生出了灵芝草，黄河决口也得以堵塞，又有人禀报说，通天台建成之时，天上隐约出现了神光，汉武帝十分高兴，特此下诏大赦天下，免除女犯人不带刑具的劳役。
元封三年（前108年）夏，正值汉朝出兵攻打卫氏朝鲜之际，国内再度爆发旱灾。公孙卿上书说，“黄帝时举行完封礼，同样遭遇了干旱，这是为了让封坛的土晾干而已，而且要连续干旱三年。”
汉武帝信以为真，为此下诏说，“天旱，大概是为了使封坛的土干燥吧？”并让天下百姓尊祭主宰农业的灵星。
元封四年（前107年），汉武帝又前往雍城郊祀，并打通了前往回中的道路，然后前往回中巡察。同年春，汉武帝又前往鸣泽巡视，后经西河县返回长安。
元封五年（前107年）冬，汉武帝再度出发巡视南郡，然后自江陵向东，登上灊县的天柱山举行了祭礼，并将天柱山命名为“南岳”。之后又乘船顺江而下，自寻阳经枞阳、彭蠡湖，沿途祭奠了各个名山大河，然后循海路再向北行至琅琊，最终于同年四月中旬，抵达了奉高县，命人重新修整了泰山上的封土。
当初汉武帝封禅泰山时，打算在泰山周边择址修建明堂，后得知泰山东北方向有一处古时候的明堂旧址，原本打算在此修建明堂，但考察过地形后，认为该地地势险恶且太过狭窄，只能重新选址，最终选择了在奉高旁另建明堂，但又不知道该修建成什么样子。
济南人公玉带得知后，给汉武帝献上了一幅黄帝时的明堂图，按照图中所示，明堂正中是一座宫殿，四周无墙，以茅草为顶，与水相通，水环绕宫垣一周，殿上有楼，又在西南方建有复道，称为昆仑道，天子经复道进入大殿，便可祭拜天帝了。于是，汉武帝命人依照公王所献之图，在坟水旁建造明堂。
如今汉武帝重新修整了封土，便自复道进入明堂，依照郊祀的礼仪，以牢牛二十头，在明堂的上层祭祀了泰一神和五帝，以高皇帝的神坐与他们相对，又在明堂下层祭奠了后土。行礼完毕，又在堂下点燃燎火。
之后，汉武帝又登上泰山，登顶之后汉武帝屏退众人，在泰山顶上进行了一次秘密祭祀，外人不知其中详情。下山后又在泰山下与主管官员祭祀了五帝，祭祀时各按其方位，只有黄帝和赤帝合并祭祀。
两年以后，因这一年恰逢十一月甲子日朔旦与冬至相逢，汉武帝遂于太初元年（前105年）十一月再度来到泰山脚下，在明堂祭祀了天帝，但却没有举行禅礼，赞礼官念道，“上天授给皇帝太初历法，周而复始、无有穷尽，皇帝敬拜泰一。”
之后，汉武帝再一次东巡至海边，询问那些出海访求神仙的方士和海边渔民，是否有神山或神仙出现，然而得到的结果却让汉武帝无比失望。虽说多年来求仙始终无果，但随着年龄的增大，汉武帝对于长生术却是越来越渴望，非但没有因此停止出海寻仙，反而增派人手，想要尽快寻到神仙。
十二月初一，汉武帝亲自到高里祭祀后土，随后再一次来到渤海边，意图通过望祠蓬莱仙人等海上仙人的方式，希望自己终有一日能够抵达仙人之庭。
返回长安之后，汉武帝才得知，十一月乙酉日，柏粱殿毁于火灾。十余年前，汉武帝于长安修建昆明池，意图训练水师清剿滇池周边的南夷，之后又下令在西城墙边修建了高十余丈的柏梁台，一方面是为了方便检阅水军演练，另一方面则可登高欣赏上林苑和昆明池的景色。柏梁台建成后，周边还附属有一片殿宇，如今柏粱殿尽毁，惟余高台独耸。
由于柏梁殿被烧毁，汉武帝便改在甘泉宫接见了各郡国的上计吏，并查看审核了各郡国上报的计薄册，审核了各郡国包括户口在内的年终汇报。
术士公孙卿趁机进言道，“当年黄帝建造青灵台，才建成十二天便被火烧掉，于是黄帝便又建造了明廷，而明廷就是甘泉宫。”于是，方士们纷纷附和，说古时也有帝王建都于甘泉宫一带的，后来天子又在甘泉宫朝见诸侯，并建造诸侯的邸舍。
越人勇之则进言说，“越地有风俗，发生火灾后，重新修建的屋子必须比原来的要大，用以镇服、胜过原屋，以避灾害。”
于是，汉武帝下令在柏粱殿一带修建建章宫，计有千门万户，前殿比未央宫还高，建章宫以东建有凤阙，高达二十多丈；以西则是唐中，方圆数十里都被辟为虎圈；以北则开凿了一个很大的池沼，名为太液池，池中有蓬莱、方丈、瀛洲、壶梁等传说中的岛屿，以象征海中的神仙之类，池中还建有渐台，高二十多丈；以南还有玉堂、璧门等建筑，以及大鸟的塑像。此外，又建造了神明台、井干楼，高度更是达到了五十丈，全都以辇道彼此相连。
同年夏，汉武帝开始推行太初历，以每年正月为一年之始，随后李广利又率兵西征大宛，然而不久国内又爆发蝗灾。
由于汉武帝长期追求长生神仙术，以至于大量方士、巫师充斥于京城，甚至逐渐渗透进了朝堂和皇宫之中，就在李广利率兵出征后，为了确保兄长能够取胜归来，他的妹妹李夫人和时任方士侍郎的洛阳人虞初，便以方术祷祀诅咒大宛和匈奴。
太初二年（前103年），由于连年战争和灾害，再加上朝廷大兴土木，汉朝经济受到了极大的冲击，当时主管祭祀的官员便上奏汉武帝，说雍城五畤已经没有了煮熟的牲牢作为祭品，祭祀时芬芳之味难以凑齐。
无奈之下，汉武帝只好下令祠官，除了五月的尝驹祭以及天子亲自郊祀时采用真正的牲畜外，在举行牲礼和祭祀山川时需要用到驹的，一律以木偶马代替。
太初三年（前102年），汉武帝再一次东巡来到海边，查问方士们出海寻仙的情况，仍然没有任何结果，汉武帝大失所望。因为担心触怒汉武帝招来杀身之祸，有方士便说，“黄帝时，建造了五个城邑、十二座楼，用来迎接、等候神人，称为迎年，如今却还没有齐备。”
汉武帝于是下诏按照方士所言筹备，并称之为明年，之后汉武帝又亲自行礼祭祀了天帝。
曾献明堂图的公玉带则说，“黄帝虽然封祭了泰山，然而当时风后、封巨、岐伯等人却都建议封东泰山，禅祭凡山，与福瑞相合，然后才能产生不死。”
听了公玉带的建议后，汉武帝便又命人准备了祭祀用具，率众来到了东泰山，结果发现东泰山极为矮小，与名声根本不相称，便没有亲自祭祀，只是命令祠官代为行礼，而且没有在这里举行封禅仪式。同时，又命公玉带留在东泰山，负责主持这里的祭祀工作，并迎候神人。
夏天时，汉武帝又返回了泰山，像以前那样举行五年一次的修封礼，此外还增加了禅祭石闾的礼仪。石闾，也就是石闾山，在泰山以南，有不少方士都说这里是仙人居住的门闾，因此汉武帝才亲自进行禅祭。
此后数年，由于汉朝与匈奴的战事再起，且汉朝多次兵败匈奴，再加上国家经济的影响，以及方士们求仙屡屡无果，汉武帝对于求仙之事渐渐有所懈怠。
直到天汉四年（前97年）的“余吾水之战”后，随着汉匈关系再度缓和，汉武帝才再一次到泰山举行了修封礼，回来时路过恒山，又在这里举行了祭祀。
汉武帝在位这数十年来，一直醉心于神仙长生术，汉朝的祭祀活动极为频繁，汉朝的祭礼也因此得以完善，其中泰一神和后土神，由汉武帝每隔三年亲自祭祀；薄忌建议设立的泰一祠、三一、冥羊、马行和赤星等五处神祠，则由宽舒等祀官，每年按照时节进行祭祀。以上六庙，平时皆交由太祝官进行管理。同时，汉武帝泰山封禅后，汉朝的封禅制度也得以形成定制。
不过，由于当时各种流派学说难以统一，这数十年间的祭祀极为混乱，除了以上六庙的祭祀对象因为神话体系的建立，得到国家层面确认，祀礼基本得以固定外，其他祠庙的管理就混乱了很多，那些经方士建议所立的祠庙，都交由建议者主持，人死庙废。此外，八神等神、明年、凡山等名祠，以及汉武帝出行时路过的名山名水，则是汉武帝路过才进行祭祀，离去便停止了祭祀。
由于那些出海寻仙和在各地迎候神仙的方士，始终没有应验，公孙卿还知道以神人的脚印来辩解，其他人更是空耗国家钱粮而毫无声息。这种情况下，汉武帝越来越对那些方士的怪诞、迂阔之语感到厌倦，因而自天汉四年（前97年）举行了修封礼后，汉武帝再也没有进行过大规模的出巡和寻仙。
此后，汉武帝虽然仍对长生求仙存有一丝幻想，希望日后能够遇到有真本事方士，但对于现有的这些方士，却是彻底失望了，因此那些方士虽然仍旧时常给汉武帝提出各种建议，但汉武帝再也没有采纳。