天子在泰山封禅完畢，并未遇上風雨災害，方士們又說蓬萊等神山似乎可以尋到，皇上對此感到很高興，認為或許能夠遇到神仙，于是又東行到海濱看望，希望看到蓬萊仙島。這時奉車都尉霍子侯（霍嬗，霍去病的兒子，死的時候可能才11歲。服啦，如果是這樣的話，讓一個容易生病的孩子長途跋涉，也太不靠譜了點吧）突然患病，當日死去。皇上這才離去，沿着海濱，北到碣石，從遼西巡視，經過北邊，到了九原。五月，回到甘泉宮。主管官員說，寶鼎出現那年定為元鼎，今年封禅，應為元封元年（公元前110年）。
這年秋天，有慧星出現在東井宿（ｘｉù，秀）天區，光芒四射。十幾天後，慧星又出現在三台宿天區，光芒四射。有個望氣的人叫王朔的說：“我觀測時，隻見那星出現時形狀象葫蘆瓜，一會兒就又消失了。”主管官員說道：“皇上創建了漢家封禅禮制，上天大概是用象征吉祥的德星出現來報答您。”
下一年的冬天（公元前109年），皇上在雍地郊外祭祀五帝，祭祀完畢後返回，又祭拜了太一神。祝頌詞寫到，“德星明亮，象征美好吉祥；壽星出現，象征長壽且天下太平；信星明亮降福，皇帝敬拜諸神福澤無量。”
在那年的春天，公孫卿聲稱在東萊山看到了神仙，神仙似乎說想要見天子。皇帝于是來到缑氏城，任命公孫卿為中大夫。随後前往東萊，停留了幾天，但什麼也沒有見到，隻看到了巨大的人腳印。皇上派遣了數以千計的方士去尋找更多的神怪和采集靈芝仙藥。當時正逢旱災，皇帝外出沒有合适的名義，就去祭祀萬裡沙神廟，途經泰山時進行了祭祀。返回時到了瓠（ｈú，狐）子口（河南濮陽），親自來到堵塞黃河決口的現場，停留了兩天，沉白馬于河中，以祭河神，然後離去。派二位将軍率領士兵堵塞決口，把黃河分成兩條河渠，使它恢複了當初大禹治水後的面貌。
南越國被滅後，有一位名叫勇之的越人向皇帝進言說：“越人有信鬼神的習俗，而且他們在祭祀時都能見到鬼神，屢屢見效應。從前東瓯王尊敬鬼神，活到了一百六十歲。後世子孫怠慢了鬼神，所以就衰微下來了。”于是，皇帝命令越地的巫師建立越祝祠，隻設台而沒有祭壇，一樣地祭祀天神上帝百鬼，采用雞骨占蔔的方法。武帝對此很相信，在越祠用雞骨占蔔，由此開始流行。
公孫卿對皇帝說：“仙人是可以見到的，但因為皇帝您之前去得太匆忙，所以沒有見到。現在您可以在城中修建一座城池，就像缑氏城那樣，在上邊設置肉脯、棗之類的貢品，神仙應當會來。而且神仙們都喜歡住在高處，您可以在京城之中修建樓觀，比如飛廉觀和桂觀，以及甘泉宮的益壽觀和延壽觀，派專人持着使節等待神人的到來。然後修建通天台，在下邊設置貢品，希望能夠多召來一些神仙。如果能夠招來神仙，那麼對國家和百姓都是有好處的。”于是皇帝命令在長安建造了蜚廉觀和桂觀館，并在甘泉宮建造了益壽觀和延壽觀，任命公孫卿為中大夫，持節設具，恭候神人。又下令修建通天台，并在台下設置祠具，準備招來神仙之屬。在甘泉宮，漢武帝還擴建了前殿，并增建了其他宮室。夏天，在甘泉宮的殿防内中長出了九莖芝草。天子為了治理黃河的決口，興建了通天台。這時天空出現吉祥的光雲，天子便下诏說：“甘泉宮的殿防内中長出了九莖芝草，這是吉祥的征兆，因此赦免天下的罪犯，不再讓他們服勞役。”
第二年（公元前109年？），漢武帝出兵攻打朝鮮。夏天，發生了幹旱。公孫卿對漢武帝說：“黃帝統治的時候，他封禅之後也出現了幹旱，幹旱了三年。”漢武帝于是說：“天幹旱，難道是為了測驗我封禅的誠心嗎？”于是便下令讓天下人祭祀主管農事的靈星。
第三年（公元前108，元封三年，應該吧），皇上到雍縣郊祀，通往回中道的路上，都進行了巡視。春天時（公元前107，元封四年），到達鳴澤（河北涿州），然後從西河返回。
轉年冬天（公元前106年，元封五年），皇上巡視南郡，到江陵後往東走。登上潛縣的天柱山，舉行祭祀，稱這座山為南嶽。乘船順江而行，從尋陽穿過枞陽（ｃōｎｇ，在安徽，長江下遊），又經過彭蠡（ｌí，離）澤（鄱陽湖，江西），一路祭祀名山大川。然後北到琅邪郡（山東），再沿海而上。四月是旬，到達奉高縣（泰安），舉行了封禅典禮。
最初，天子在泰山舉行封禅典禮時，泰山腳下的東北方有古明的時堂舊址，舊址處路不好走，又不寬敞。皇上想要在奉高縣旁修建明堂，但不知道明堂的形制尺度。濟南人公玉帶獻上黃帝時期的明堂圖，圖中明堂為一座四面無壁、以茅草為蓋、通水環繞的宮殿，有複道連接至高樓，西南方有門，名為昆侖，天子由此走進殿堂，在那裡拜祭上帝。于是，皇上命令按照公玊（su，四聲）帶的圖樣在奉高的汶上建造明堂。等到第五年再來舉行封禅時，就讓泰一神和五帝的神位居于上座進行祭祀，讓高皇帝的神主靈位對着他們。在下房祭祀後土神，用牛、羊、豬各二十頭。天子從昆侖道進去，開始按郊祀的禮儀在明堂祭拜。祭拜完畢，在堂下燒掉祭品。然後，皇上又登上泰山，在山頂秘密舉行祭祀。在泰山下祭祀五帝時，按照他們各自所屬的方位，隻有黃帝和赤帝并排，祭祀時由主管官員陪祭。在泰山上舉火，山下也都舉火呼應。
在之後的兩年（公元前104年），十一月甲子朔日的早晨是冬至日，推演曆法的天官說這個時間和黃帝推演出來的時間點是一樣的，應此定為正統。天子親臨泰山，在這一天到明堂去祭祀上帝，因為距上一次封禅不到五年，所以沒有舉行封禅典禮。那祝辭說：“上天授予皇帝泰元神策，周而複始。皇帝在此虔誠地拜祭泰一神。”皇帝向東到達海邊，考察入海尋仙和方士求神的結果，卻發現沒有一個人的話應驗。然後皇帝派出更多的人，希望能夠遇到神仙。