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。