公元前113年春二月，中山王刘胜去世。夏，汉武帝封方士栾大为乐通侯，位列上将军。六月，汉武帝在后土祠旁得到一只宝鼎。秋，在渥洼水中得到一匹天马。汉武帝命人写成《宝鼎》《天马》之歌，立常山王刘宪的儿子刘商为泗水王。冬十月，汉武帝来到雍城，祭祀五畤。随后汉武帝越过陇山，登上崆峒山，向西到达祖厉河后返回。十一月辛巳朔日冬至，汉武帝在甘泉宫建立泰畤，他亲自郊拜，白天拜日，晚上拜月。
汉武帝下诏书说：“朕我以渺渺之身居于王侯之上，德不能安排百姓，百姓有的饥寒交迫，所以在巡祭后土祈求丰年。在冀州后土祠旁边发现纹鼎，得以献给祖庙。渥洼水中出天马，作为朕的御用。我平时战战兢兢，害怕不能胜任，时常思虑如何向天地昭显大德，对内力求自新。《诗》云：‘四牡齐驱，以征讨不服。’我亲自巡察边陲，所到之处必须进行祭祀。为此望见泰一神，修起天文坛。辛卯日夜间，就像白天一天光明。《易经》中说：‘先甲三日后自新，后甲三日后叮咛。’朕我十分忧虑有些年份没有丰收，所以亲自斋戒，丁酉日效祭以感谢天赐光明。”
公元前112年夏四月，南越王相吕嘉造反，杀掉汉朝和使者以及南越王、王太后。汉武帝宣布大赦天下。丁丑晦日，发生日食。秋，出现青蛙和虾蟆结队打斗的奇观。
汉武帝派遣伏波将军路博德兵出桂阳，下湟水；楼船将军杨仆兵出豫章，下浈水；归义越侯严为戈船将军，兵出零陵，下漓水；甲为下濑将军，下苍梧。他们率领的都是犯罪之人，长江、淮南楼船将士十万人，越人驰义侯何遗派出部将调集巴、蜀犯罪之人，同时征调夜郎兵兵，下牂柯江，几路一起会师番禺。
九月，因为列侯奉献的酎祭宗庙黄金成色不足，被剥夺掉爵位的有一百零六人，丞相赵周被逮捕入狱处死。乐通侯栾大犯欺骗主上罪被腰斩。
西羌十万人起来造反，并派出使者和匈奴勾结，进攻故安，包围枹罕。匈奴侵入五原，杀掉太守。
冬十月，汉武帝调动陇西、天水、安定骑兵以及中尉、河南、河内军卒十万人，派遣将军李息、郎中令徐自为率军征讨西羌，平定了叛乱。
汉武帝向东巡视，到达缑氏县，在来到左邑桐乡后，听到攻破南越的报告，把这里改名为闻喜县。
公元前111年春正月，汉武帝到达汲新中乡，听到汉军斩获吕嘉首级的报告，就把这里改名为获嘉县。何遗所调集的军兵还没有到达，南越已经平定，汉武帝改令他们征讨并平定西南夷。汉军平定南越地区后，设置为南海、苍梧、郁林、合浦、交阯、九真、日南、珠厓、儋耳郡。平定西南夷后，设置为武都、牂柯、越巂、沈黎、文山郡。
秋，东越王余善造反，攻杀汉朝的将军和官吏。汉武帝派遣横海将军韩说、中尉王温舒兵出会稽，楼船将军杨仆兵出豫章进击。又派遣浮沮将军公孙贺兵出九原，匈河将军赵破奴兵出令居，都进军两千多里，没有发现匈奴人后还军。汉武帝分出武威和酒泉之地，设置为张掖、敦煌郡，迁徙百姓进行充实。
这年冬十月，汉武帝下诏书说：“南越、东瓯都已伏罪，但西蛮和北夷还没有完全臣服。朕将亲自巡视边陲，择兵振旅，躬秉武节，设置十二部将军，亲自率军出发。”
汉武帝来到云阳，向北经过上郡、西河、五原，部队出长城后向北登上单于台，到达朔方后，到达黄河最北。汉武帝共率领骑兵十八万，旌旗绵延一千多里，威震匈奴。
汉武帝派遣使者告诉单于说：“南越王的头颅已经悬挂在长安皇宫北阙。单于如果能战，天子亲自率军在边境等候；如果不能战，就要马上前来臣服。躲藏在北方漠北苦寒之地算怎么回事！”匈奴被慑服。汉武帝在还军途中，在桥山祭祀黄帝，然后返回甘泉宫。
东越人杀掉越王余善后投降。汉武帝下诏书：“东越人凭借险阻反复无常，这是后世遗患，现在就把其百姓迁徙到长江、淮河之间。”这一地区随后空虚。
公元前110年春正月，汉武帝到达缑氏县。下诏书说：“朕祭祀西岳华山，接着祭祀中岳嵩山，俘获熊罴，看到夏后氏启母亲的雕像。第二天，亲自登上嵩山高峰，御史乘属，在庙旁的官吏军都高呼三遍万岁，山谷都有回应。山神对朕的礼节岂能不答？现在就命令祠官加增太室祠，禁止无故攀登伐其草木。把山下一三百户作为其奉邑，名叫崇高，只供给祭祀就行，免除其他税赋徭役。”汉武帝继续前行，沿东海巡视。
夏四月癸卯日，汉武帝从东海返回，登临并封禅泰山，从东下山坐在明堂中。他下诏书说：“朕我以渺渺之身继承皇位至尊，兢兢业业只害怕德行菲薄，因为不明白礼乐，所以祭祀八神。遭遇天地恩施，看到奇异的景象，忽然间山谷回应“万岁”之声。受到这种怪现象震慑，想停止前行却也不敢，于是登临封禅泰山，随后祭祀梁父山，然后筑坛于肃然山。朕将从此励志自新，和众士大夫一起开启美好进程，所以把十月作为元封元年。凡巡视所经过的地区，像博、奉高、蛇丘、历城、梁父等地，百姓所欠的租赋一律豁免。赏赐七十岁以上年龄的孤寡老人布帛，每人二匹。四县不用再交纳今年的人丁税。赏赐天下百姓一级爵位，女子每百户一牛头、酒。”
汉武帝从泰山出发，两次向东巡视海上，到达碣石。然后从辽西经过北边九原，最后返回甘泉宫。秋，有颗彗星出现在东井天空，又有彗星出现在三台天空。齐王刘闳去世。冬十月，汉武帝到达雍城，祭祀五畤。
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