黄帝乘龙升仙的传说，自古以来便广为流传，醉心神仙长生术的汉武帝自然也多有了解，如今从公孙卿处得知了黄帝飞升的经过，汉武帝便也起了模仿之心。正如公孙卿所说，如今通过诚心祭祀已经得到了上天赐予的宝鼎，说明自己已经沟通了上天，如今与黄帝相比，自己所欠缺者便是登上泰山封禅，将自己的功业禀奏上天，从而获得上天的认可。
正因如此，自从得到宝鼎，汉武帝便与公卿大臣和众儒生商议起了封禅之事。
由于自上古以来，封禅大典很少举行，时间相隔久远，具体的礼仪已经失传，此前秦始皇泰山封禅，齐鲁儒生便始终无法就礼仪事宜达成一致，秦始皇最终贬退诸儒士不用，采用秦国祭祀礼仪率文武登山封禅，结果在泰山遭遇风雨，不仅没能成功封禅，反而因此遭到了齐鲁儒生的冷嘲热讽。
为了避免重蹈覆辙，汉武帝在封禅礼仪上慎之又慎，多次组织儒生进行讨论，儒生们商议后主张采用《尚书》、《周官》、《王制》中记载的天子射牛、望祀的仪式来进行。已经九十多岁的齐人丁公也参与了讨论，他说，“登泰山祭天的‘封’应该是不死的意思，早年秦始皇便没能登上泰山行封礼。陛下如果一定要上去，只要稍微登得高一些，就不用担心风雨阻挡了，也就最终可以登上泰山行封礼了。”
于是，汉武帝命令儒生们反复练习射牛，同时草拟封禅的礼仪。
元封元年（前111年）冬十月，汉朝先后攻灭了南越和闽越，又驱逐了西北西羌，东南和西北得以平定，汉武帝因此召集众儒生，说道，“古代帝王要先收兵止武，然后才能进行封禅”。
汉初以来，汉朝面临的最大威胁，便是来自于北方的匈奴和南方的越人，如今东南得以收复，但当时北方的匈奴人经过休养生息后，却再度开始南下威胁汉朝边疆，一时间兵戈难息，自然也就无法举行封禅了。
为此，汉武帝颁布诏书，“南越、东越都已收到应有惩罚，而西蛮、北夷尚未镇服”，遂决定亲自率领重兵巡视边疆，为此设置十二路将军，率领重兵经上郡、西河、五原，出长城后继续向北，登上单于台，至朔方郡的黄河边，勒兵十八万骑、旌旗径千余里，以彰显武力、威慑匈奴，并派郭吉出使匈奴，询问乌维单于是战是降，乌维单于虽然扣留了郭吉，但自负不是汉朝对手，只能遣使与汉朝修好，汉武帝见乌维单于态度恭敬，这才在桥山黄帝陵前祭祀了一番后，遣散军队返回长安。
回京途中，汉武帝询问身边儒生，“既然黄帝乃是飞升而去，并没有死，为何却会建有陵墓呢？”
这个问题，的确让一众儒生陷入了沉思，其中一人反应很快，回答道，“黄帝成仙升天后，臣民们因为思念于他，便将他的衣服帽子埋在了这里，所以才有了陵墓。”
汉武帝闻言，认为他说的很有道理，这才得以释然。回到甘泉宫后，为了确保泰山封禅的成功，汉武帝又去祭祀了泰一神。
此后数月，在汉武帝的命令下，朝廷上下开始积极筹备东巡和泰山封禅事务。
在此期间，公孙卿和一些方士，上书称黄帝以前的帝王举行封禅，都会招来怪异之物从而与神仙相通，汉武帝于是便想效仿黄帝，尝试迎接仙人蓬莱士，借此超乎世俗、跟九皇比德，为此让儒生们对自己多年来的功绩以文字加以修饰。
然而，就在汉武帝已经决定泰山封禅之时，儒生们却始终无法就具体的封禅礼仪达成一致，这些儒生们受《诗》《书》等古文经籍的束缚，既不知道变通妥协，又不懂得明辨是非，结果常常因为一些细节问题而争得面红耳赤，却谁也说服不了谁，因而始终难有定论，以致草拟礼仪事项陷于停滞。
汉武帝命人按照儒生们的建议打造了一批祭祀器物，儒生们看后有人却说这些器物跟古代的不同，不久徐偃又上书说太常祠官们行礼不如古代鲁国的好……
眼见这些儒生们整日捧着所谓“儒家经典”因为这些小事争吵不断，不胜其扰的汉武帝立时便怒了，随之贬退了召集儒生策划封禅事宜的徐偃、周霸，又将所有儒生全都罢黜不用，改由太常统领礼仪制定事务，太史公司马谈等人参与定制，结果仅用了月余时间，便敲定了所有祭祀礼仪。
元封元年（前110年）三月，汉武帝开始东巡，先到了缑氏县，登上中岳的太室山祭祀。祭祀完毕后，有人上报汉武帝，说是随从官员在山下听到好像有人喊“万岁”，但经过询问山上和山下之人，却都说没有喊过，因而感到十分奇异。汉武帝闻之大喜，下令封给太室山三百户以供祭祀，命名叫崇高邑。
之后，汉武帝继续往东巡游，来到了泰山郡，带人登上泰山，发现山上的草木还没有长出叶子，于是便命人将歌颂功德的石碑运送上山，立于泰山顶峰，又命相关官员留在泰山郡筹备封禅事宜，并下令从博县、嬴县分出一些土地设置奉高县，将泰山郡治移往奉高县，而汉武帝自己则继续向东巡游。
汉武帝一直东巡至海边，为了像公孙卿等人所说的那样招来怪异之物，以便在封禅时与神仙相通，汉武帝在海边举行了盛大的祭祀典礼，祭祀了天主、地主、兵主、阴主、阳主、月主、日主和四时主等八神。
与此同时，得知皇帝抵达齐地，此前没有机会见到皇帝的民间方士纷纷赶来，光是向汉武帝上书谈论神仙精灵和奇异方术的便有上万人。见状，汉武帝便从其中选了几人，让他们演示方术，结果没有一个灵验的。即便如此，汉武帝为了求见神仙，还是保留了一丝希望，又派人增派船只，让那些谈论海上神仙的方士出海去寻找蓬莱仙人。
与此同时，奉命持符节到各大名山等候神仙降临的公孙卿，也追随汉武帝的步伐一路来到了东莱，趁机上书汉武帝，说自己在夜间看到一个人，身高数丈，等自己靠近去寻找，却突然消失不见了，只在原地发现了一个很大、类似禽兽的脚印。
汉武帝带人前去查看，按照公孙卿所指，虽然当地的确有一个巨大的脚印。由于此前公孙卿在太室山时，便曾声称发现了神仙脚印，当时汉武帝已经有所怀疑，如今公孙卿又来这一套，而且两个脚印都有很明显的人为痕迹，汉武帝自然更加怀疑。
然而，公孙卿说罢，群臣中却又有人说，自己也曾看到一位牵着狗的老人，说“我想要见天子”，但一会儿又忽然不见了。闻听此言，汉武帝才打消了疑虑，认为那老人或许就是仙人，于是便留在了海边，并命人准备了大量驿车，秘密派出了数以千计的使者去寻找仙人。
然而，汉武帝留居海边十几日，那些奉命出海和前往各地寻找神仙的方士，却始终没有结果，又得知泰山封禅事宜已经准备妥当，便只好放弃了寻仙之事，带人返回了泰山南部的奉高，准备进行泰山封禅。
同年四月，汉武帝举行泰山封禅。因儒生和方士们对封禅礼仪的说法各不相同，又缺乏古书记载，实在难以施行，只好根据太常议定的礼仪，结合当年秦始皇泰山封禅的经过，登山举行封禅仪式。
汉武帝先是到了梁父山，举行了祭祀地神的仪式。
然后于乙卯日正式举行封禅大礼，命侍中官儒生头戴白鹿皮帽，身穿插笏官服，按照天子射牛的礼仪进行祭祀，然后汉武帝则在泰山东边所建的祭坛上，按照祭祀泰一神的礼仪举行“封礼”。
祭天的坛宽一丈二，高九尺，坛下放有封禅的文书。祭礼完毕，天子单独带着霍去病之子，时任侍中、奉车都尉的霍嬗登上泰山，在山顶举行了祭天仪式。第二天，汉武帝顺着山北的道路下山。
丙辰日，汉武帝又在泰山脚下东北方的肃然山辟场祭地，按照祭祀后土的礼仪举行了“禅礼”。
此次封禅，汉武帝亲自拜见了天神、地神，并按照太常制定的仪式，身穿黄色礼服，配备庄严肃穆的音乐，并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氛围。据说，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。
此次祭祀，由于礼仪问题始终没能达成一致，汉武帝担心会像当年秦始皇一样，在登山祭祀时遇到风雨灾害，从而遭到儒生、方士和大臣们的嘲笑。因此，汉武帝在率领东巡队伍抵达泰山后，便命令其余大臣全部散去，只留下霍嬗等少数心腹跟随自己参加祭祀大典，而且严令不许将封禅事宜外传，因此除了这少数心腹之外，大家皆不知道封禅的具体过程。直到祭祀礼毕，汉武帝返回驻地，大臣们这才纷纷前来祝贺，汉武帝于是坐在明堂上，接受群臣的朝贺。
之后，汉武帝下诏说，“朕以眇眇之身承袭至尊之位，始终兢兢业业、谨言慎行，唯恐不能担当大任。朕德行微薄又不懂礼乐，在以祭祀泰一神的礼节祭天时，天上象是有祥瑞之光，朕好像也望见了什么一样，似乎象是有什么奇异的怪物，让朕深感震撼，想要停止却又不能，遂登上泰山筑坛祭天，到了梁父山，然后在肃然山辟场祭地。自此以后万象更新，希望众大臣亦能自勉。赏赐天下百姓，每百户一头牛、十石酒，八十岁以上的老人和孤儿寡妇则另加赐布帛二匹。免除博县、奉高、蛇丘和历城等地赋税，不用交纳今年租税并免除徭役。大赦天下，与乙卯年大赦令一样，凡是我巡视经过地区，轻罪徒全部赦免，若是两年前所犯的罪，也都一律不再追究。”
不久后，汉武帝又下诏，“古时天子每五年出巡一次，在泰山举行祭祀，诸侯们前去朝拜时都有住所。令各诸侯在泰山下各自修建官邸。”
得知汉武帝泰山封禅完毕，而且没有遇上什么风雨灾害，便有出海寻仙的方士上书说，自己就要找到蓬莱神山了，汉武帝得知后十分高兴，觉得自己或许真的能够见到神仙了，遂再次率队前往了海边，希望能够见到蓬莱神山。
然而，就在汉武帝还在等待见到神仙时，始终跟随在汉武帝身边的奉车都尉霍嬗却突然生了重病，而且仅仅一天后便去世了。汉武帝这才意识到这些术士乃是在欺骗自己，否则如果神仙真的因为自己完成封禅而愿意现身，封禅时始终跟随在自己身边的霍嬗岂会不受庇护而突然去世。
为此，颇为失望的汉武帝没有继续再等待神仙的到来，而是沿海北上，抵达了碣石，巡视了一番后又从辽西开始巡行，沿北部边境一直抵达九原县，最终于同年五月回到甘泉宫。而这次泰山封禅，便是“元封”这个年号的由来。
同年秋，有彗星出现在东井宿天区，夜空中光芒四射，十几天后，又有彗星出现在三台宿天区，同样光芒四射。有个善于望气的人叫做王朔，他针对这一天象上书说道，“我观测天象时，只见那彗星出现时形状像葫芦瓜，一会儿又消失了。”
主管官员因此恭贺汉武帝，说道，“陛下创建了汉家的封禅礼制，上天大概是用这种象征吉祥的德星来报答您。”
针对这种说法，汉武帝于元封二年（前110年）冬再次前往雍县郊祀五帝，回来后又祭拜了泰一神，祝词中说，“德星光芒四射，象征美好吉祥。寿星相继出现，光辉遍照远方。信星明亮降福，皇帝敬拜诸神福泽无量”。