皇帝向东巡幸海上，祭祀了天主、地主、兵主、阴主、阳主、月主、日主和四时主八位神灵。齐地人中上书谈神仙精灵和奇异方术的数以万计，但没有一个灵验。于是皇帝增派船只，命令那些谈论海上神山的几千人去访求蓬莱仙人。公孙卿曾携带天子符节，先行前往名山等候神仙的降临，行至东莱（山东龙口市东南黄城镇）。他说自己在东莱山夜见一人，此人身长数丈，但当他靠近时，这个人却消失不见，只留下巨大的脚印，这些脚印类似禽兽的爪印。群臣中有人报告说，他们见到一位老父牵着狗，声称“我想见巨公”，但随后就消失不见了。皇帝对此表示怀疑，但当群臣再次提及此事时，他开始认为这位老父可能是仙人。皇帝留宿在海边，提供了大量的驿车给方士，并派遣了数千名使者去寻找仙人。

四月，皇帝回到奉高。他想到诸儒及方士对封禅的议论各不相同，认为这些议论不经，难以施行。于是，汉武帝亲自到梁父山（山东泰安）礼祠“地主”神。在乙卯这一天，皇帝命令侍中的儒者穿戴皮弁和荐绅的礼服，参与射牛仪式。在泰山的东面进行封禅仪式，仪式遵循郊祠泰一神的礼仪。封土的宽度为一丈二尺，高度为九尺，封土下埋藏着玉牒书，内容保密。礼毕之后，天子单独与侍中奉车子侯上泰山进行封禅，并且也有封赏。这些事情都是秘密进行的。第二天，天子从泰山下来。丙辰日，天子在泰山下址东北的肃然山举行禅礼，仪式如同祭祀后土礼一样。天子亲自拜见，穿着黄色的衣服，并且全程使用音乐伴奏用采自江淮一带的三棱灵茅作神垫，用代表五方的五色泥土混杂起来多多地加在祭坛上。还放出远方奇异的飞禽走兽和白毛野鸡等动物，大大增加礼仪的隆重气氛。但不用兕牛、旄牛、犀牛、大象之类的动物。天子及其随从都是到了泰山，然后离去的。举行封禅大典的那天晚上，天空仿佛有亮光出现，白天又有白云从祭坛中升起。

皇帝在封禅泰山后，回到明堂，群臣再次向他祝寿。于是，汉武帝颁布了一道制诏给御史，“我以渺小之身继承了皇帝的至尊之位，一直谨言慎行，唯恐不能胜任。我德行微薄，不懂礼乐。祭泰一神时，天上象是有瑞祥之光，我心中不安好象望见了什么，被这奇异景象所深深震憾，想要停止却不能，终于登上泰山筑坛祭天，到了梁父山，然后在肃然山辟场祭地。我要完善自己，勉力与士大夫们一起重新开始。赐给百姓每百户一头牛、十石酒，八十岁以上的老人和孤儿寡妇，再另加赐布帛二匹。免除博县、奉高、蛇丘和历城等地的赋税，不用交纳今年租税和免除徭役。大赦天下，和乙卯年的大赦令一样。凡是我巡行所经过的地方，都不要再有驰刑再犯的轻罪徒。如果是在两年以前犯的罪，一律不再追究。”又下诏说：“古时天子每五年出巡一次，在泰山举行祭祀，诸侯们来朝拜都有住所。应该让诸侯在泰山下各自修建官邸。”