皇帝向東巡幸海上，祭祀了天主、地主、兵主、陰主、陽主、月主、日主和四時主八位神靈。齊地人中上書談神仙精靈和奇異方術的數以萬計，但沒有一個靈驗。于是皇帝增派船隻，命令那些談論海上神山的幾千人去訪求蓬萊仙人。公孫卿曾攜帶天子符節，先行前往名山等候神仙的降臨，行至東萊（山東龍口市東南黃城鎮）。他說自己在東萊山夜見一人，此人身長數丈，但當他靠近時，這個人卻消失不見，隻留下巨大的腳印，這些腳印類似禽獸的爪印。群臣中有人報告說，他們見到一位老父牽着狗，聲稱“我想見巨公”，但随後就消失不見了。皇帝對此表示懷疑，但當群臣再次提及此事時，他開始認為這位老父可能是仙人。皇帝留宿在海邊，提供了大量的驿車給方士，并派遣了數千名使者去尋找仙人。

四月，皇帝回到奉高。他想到諸儒及方士對封禅的議論各不相同，認為這些議論不經，難以施行。于是，漢武帝親自到梁父山（山東泰安）禮祠“地主”神。在乙卯這一天，皇帝命令侍中的儒者穿戴皮弁和薦紳的禮服，參與射牛儀式。在泰山的東面進行封禅儀式，儀式遵循郊祠泰一神的禮儀。封土的寬度為一丈二尺，高度為九尺，封土下埋藏着玉牒書，内容保密。禮畢之後，天子單獨與侍中奉車子侯上泰山進行封禅，并且也有封賞。這些事情都是秘密進行的。第二天，天子從泰山下來。丙辰日，天子在泰山下址東北的肅然山舉行禅禮，儀式如同祭祀後土禮一樣。天子親自拜見，穿着黃色的衣服，并且全程使用音樂伴奏用采自江淮一帶的三棱靈茅作神墊，用代表五方的五色泥土混雜起來多多地加在祭壇上。還放出遠方奇異的飛禽走獸和白毛野雞等動物，大大增加禮儀的隆重氣氛。但不用兕牛、旄牛、犀牛、大象之類的動物。天子及其随從都是到了泰山，然後離去的。舉行封禅大典的那天晚上，天空仿佛有亮光出現，白天又有白雲從祭壇中升起。

皇帝在封禅泰山後，回到明堂，群臣再次向他祝壽。于是，漢武帝頒布了一道制诏給禦史，“我以渺小之身繼承了皇帝的至尊之位，一直謹言慎行，唯恐不能勝任。我德行微薄，不懂禮樂。祭泰一神時，天上象是有瑞祥之光，我心中不安好象望見了什麼，被這奇異景象所深深震憾，想要停止卻不能，終于登上泰山築壇祭天，到了梁父山，然後在肅然山辟場祭地。我要完善自己，勉力與士大夫們一起重新開始。賜給百姓每百戶一頭牛、十石酒，八十歲以上的老人和孤兒寡婦，再另加賜布帛二匹。免除博縣、奉高、蛇丘和曆城等地的賦稅，不用交納今年租稅和免除徭役。大赦天下，和乙卯年的大赦令一樣。凡是我巡行所經過的地方，都不要再有馳刑再犯的輕罪徒。如果是在兩年以前犯的罪，一律不再追究。”又下诏說：“古時天子每五年出巡一次，在泰山舉行祭祀，諸侯們來朝拜都有住所。應該讓諸侯在泰山下各自修建官邸。”