五利将军、天士将军、地士将军、大通将军、乐通侯，赐黄金万斤，并把自己的女儿卫长公主嫁给他。最后还专门刻一方玉印，以对待宾客的礼仪封他为天道将军，表示不把他作为臣属。元封元年（公元前110年），骗局败露，汉武帝腰斩了栾大。但他仍不断派人到海上求仙，幻想有人能够成功。

    汉武帝晚年多病，疑神疑鬼，有一次梦见数千木人打他，醒后病倒，他认为是臣下吏民诅咒造成的，于是出现“巫蛊之祸”。他派江充去调查，先后害死数万人，其中包括丞相公孙贺父子、武帝亲女诸邑公主、阳石公主、卫皇后的侄儿长平侯卫亻元等显贵人物。后来有人告发太子宫中有木偶人，诬他诅咒武帝，征和二年（公元前91年）七月，皇太子被迫假传圣旨捕斩江充，发兵攻占长安各要害部门，武帝大怒，令丞相刘屈氂发兵逮捕太子，两军在长安大战数日，皇太子兵败自杀，卫皇后也自杀了。这一案件到第二年被认为是冤狱，太子得以昭雪。后来，丞相刘屈氂和贰师将军李广利也被指控从事巫蛊活动诅咒皇帝，刘屈氂被杀，李广利投降匈奴，所统帅的七万大军全军覆没。武帝一生多次大胜匈奴，最后却由于非军事原因而遭此惨败，引起他思想上巨大的震动，后来他觉察到所谓巫蛊活动多无实证，纯属江充等人制造的冤案，他诛灭了江充全家，中止了这一惨祸的继续。

    一连串的挫折使汉武帝反思自己一生的所作所为，他开始检讨自己的过错，征和四年汉武帝最后一次出巡到山东海边，想到海岛上寻找神仙，在东莱海边等了10多天，看到大浪淘沙，无边无际，没法行船，只有绝望地回程，他边走边回顾往事，心中有无限感慨，走到钜定县（今山东广饶县北）时，看到农民正忙着春耕，他便拿起耒耜，亲自到田里参加劳动。他到泰山明堂里祭祀时，对着天地神灵和大臣们自我检查。不久，大鸿胪田千秋请求斥退方士，汉武帝遣散了所有的方士。六月，搜栗都尉桑弘羊又请求汉武帝派人到轮台修筑堡垒，驻扎军队时，汉武帝下轮台罪己之诏，说明此前有人请求按人口增加30钱的赋税作为边用，这是加重老弱孤独者的痛苦，现在又请求到轮台驻军开田，这是“扰劳天下”的行为，“朕不忍闻”，宣布“当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农”，与民休息。“轮台悔过”说明汉武帝毕竟是一位具有远见卓识的政治家，在自己统治的最后时期，能看到自己过去政策中失误；它也标志着汉武帝一生政策的一大转折，以后他采取了与民休息、思富养民的政策，任命田千秋为丞相，并封为“富民侯”，任命大农学家赵过为搜粟都尉，让他在全国范围内推广先进的“代田法”和先进农具，经过两年的努力，社会又趋于安定了，开启了后来的“昭宣中兴”、媲美文景的西汉盛世。

    不过，此时的汉武帝已经日落西山。为了汉家天下的正常延续，征和四年（公元前89年），他在甘泉宫避暑时让人画了一张周公背成王朝见大臣图，把它赐给奉车都尉霍光，托付他辅佐自己的小儿子刘弗陵继位，并且逼迫刘弗陵的母亲赵婕妤自杀于云阳宫，以免太后干政。后元二年（公元前87年），汉武帝在五柞宫一病不起，他知道自己命在旦夕，便在床前立刘弗陵为太子，同时封霍光为大司马大将国，金日石单为车骑将军，上官桀为左将国，桑弘羊为御史大夫，嘱咐他们同心协力辅佐皇太子。次日，汉武帝去世。葬茂陵（长安西北），其陵东北有霍去病、卫青墓，东南有霍光墓。