汉武帝愤怒异常，唯有壶关三老令孤茂敢上书汉武帝为刘据申冤。
刘据向东逃到湖县（今河南灵宝西），隐藏在泉鸠里。主人家境贫寒，经常织卖草鞋来奉养刘据。 刘据有一位以前相识的人住在湖县，听说很富有，太子派人去叫他，于是消息泄露；八月辛亥（初八），地方官围捕刘据；刘据知道自己难以逃脱，便回到屋中自缢而死； 主人与搜捕太子的人格斗而死，二位皇孙也一同遇害。
刘据有三子一女，全部因巫蛊之乱而遇害，刘据之子、史皇孙刘进有一子刘病已幸存，尚在襁褓中，后改名刘询，为汉宣帝。
久之，巫蛊事多不信。官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发的，经过调查发现多为有不实。汉武帝颇知当时刘据只是惶恐不安并无谋反的意图，高寝郎田千秋讼刘据冤曰：“子弄父兵，罪当笞；天子之子过误杀人，当何罢哉！臣尝梦见一白头翁教臣言。”于是汉武帝霍然醒悟，立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾对刘据兵刃相加的人也陆续被杀。 汉武帝怜刘据无辜，就派人在湖县修建了一座宫殿，叫作“思子宫”，又造了一座高台，叫作“归来望思之台”，借以寄托他对刘据和那两个孙子的思念，天下闻而悲之。
轮台罪己
汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸造成父子相残、太子刘据自杀，种种打击使武帝心灰意冷，对自己过去的所作所为颇有悔意。在登泰山、祀明堂之后，武帝下《轮台罪己诏》说“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！” 以表示承认自己的错误。天下也因此又逐渐归于和谐，为昭宣中兴的盛世奠定了基础。
托孤霍光
公元前88年，汉武帝叫画工画了一张“周公背成王朝诸侯图”送
给霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。 在这段时间里（具体时间不详），刘弗陵的母亲钩弋夫人“因过”受到斥责，忧死于云阳宫。一般认为是子幼母壮，为了防止钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝找借口处死了她。
公元前87年二月，汉武帝于弥留之际立刘弗陵为太子，四天后的丁卯日，汉武帝驾崩于五柞宫，享年七十岁。 三月甲申葬于茂陵。霍光正式接受汉武帝遗诏，成为汉昭帝刘弗陵的辅命大臣，与车骑将军金日磾、左将军上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同辅佐朝政。 其后继者昭帝（实为霍光掌政）和宣帝坚持执行武帝晚年制定的与民休息的政策，因而在西汉中期出现了被后世称颂的昭宣中兴局面。
刘彻去世后，谥号孝武皇帝，庙号世宗，葬于茂陵（今陕西兴平县东北）。
魏晋南北朝之前，去世的皇帝能否追尊庙号有非常严格的规定，按照“祖有功而宗有德”的标准，开国君主一般是祖、继嗣君主有治国才能者为宗。西汉十四帝，历经211年，仅有四位皇帝拥有庙号，即太祖高皇帝刘邦、太宗孝文帝刘恒、世宗孝武帝刘彻、中宗孝宣帝刘询。
为政举措
政治
汉武帝即位初，一方面政治形势比较稳定，国家经济状况也比较好，另一方面诸侯王国的分裂因素依然存在，边境匈奴袭扰不断，而封建统治思想尚待确立。 经济上采纳桑弘羊的主张，由政府直接经营运输和贸易；军事上任用卫青、霍去病为大将， 解除了匈奴的威胁，统一今两广一带，推动了经济文化的发展。
为加强中央集权，武帝接受主父偃的建议，颁布推恩令，即允许诸王将自自己的土地分给子弟，建立较小的诸侯国。内容主要是：诸侯王的王位除了由嫡长子继承以外，还可以用“推恩”（也就是广布恩惠，让更多的人来享受特权）的形式把其他的儿子在本侯国内分封。新的侯国就脱离原来王国的限制，地域独立，而且政治权力也基本被剥夺，受当地郡县官吏的管辖。这样，就使原来独立的地方王国自动地将权力上交给了国家。此后，地方的王与侯仅仅享受物质上的特权，即享用自己封地的租税。但是没有了以前的政治特权。 武帝还找借口，一次就削去当时一半的侯国。 汉武帝奠定了中国大一统的政治格局。
在惠帝、文帝、景帝期间，丞相大多主要是随刘邦打天下的功臣丞相受到礼遇，汉武帝和丞相多有不合，经常会借口打压杀死丞相，导致朝中大臣不愿意接任丞相之职。为贯彻自己的命令，他便设立中朝，尚书台也是这一时期出现的。汉武帝削弱丞相的权力还有一个很有利的条件，这就是原来做丞相的都是开国的功臣，他们已经年老，或者去世。汉武帝便利用这个有利的时机来让众多的儒生代替元老们，掌握国家政权，同时通过打击丞相来加强自己的权力。在公元前124年，汉武帝便让平民出身的儒生公孙弘来做丞相，这样就改变了以前总是由贵族来做丞相的惯例。
汉武帝是中国历史上第一位使用年号的皇帝，公元前113年汉武帝以当年为元鼎四年，并追改以前为建元，元光，元朔 元狩，每一年号六年。但根据一些出土的文物来看，上面都标有建元、元光等年号，证明建元、元光等年号并非后来追命。
为了进一步加强君主权力，汉武帝用派御史的方式对地方的豪强、官吏进行监督。公元前106年，将全国分成了十三个监察区，每个区叫做部，每部派出一名刺史，中央的刺史叫做司隶校尉，其他十二个州都叫刺史。
刺史的地位在当时是相当高的，相当于钦差大臣，而且是常年的，在地方还有自己的办公地点。就"刺史"名字本身来说，其实它已经具备了这种特点。"刺"即是刺举，也就是侦视不法，"史"是指皇帝派出的使者。
汉武帝时任用官吏是多元化的。汉武帝举贤良方正直言极谏之士对策，武帝亲自策问，选拔人材做官。
元朔五年为五经博士置弟子五十人，复其身；地方郡国可按一定条件选送一些人，可受业如弟子。经考试，能通一艺以上，可用作官吏。
二千石以上官吏可通过任子制度使子孙当官；有钱人可通过“赀选”当官，如司马相如 ；先贤的后裔可以受照顾，如贾谊的两个儿子就被关照当了郡守。 然而，尤为突出的是武帝用人惟才是举、不拘一格。如皇后卫子夫是从奴婢中选拔出来的。卫青、霍去病分别是从奴仆和奴产子中选拔出来的。 而丞相公孙弘、御史大夫儿宽，以及严助、朱买臣等人都是从贫苦平民中选拔上来的； 御史大夫张汤、杜周和廷尉赵禹则是从小吏中选拔出来的。 尤其值得注意的是汉武帝任用的一些将军是越人、匈奴人。而金日磾（音：jin'mi'di）这样一位匈奴的俘虏在宫中养马的奴隶， 竟然与霍光、上官桀一齐被选拔为托孤的重臣。这些情况说明汉武帝选拔人才是不受阶级出身与民族差别限制的。
汉武帝用人标准是惟才是举，其在位期间曾于元光元年及元封五年两次颁布求贤诏。 “博开艺能之路，悉延百端之学” ，“州郡察吏民有茂材异者，可为将相及使绝国者” 。意思是只要愿为汉朝事业奋斗，有艺能、有才干的人，能为将相和可以出使遥远国度的人都可任用。
正因如此，汉武帝时人才济济。班固就惊叹地说：“汉之得人，于此为盛！”这种现象的出现是值得认真研究的。
征和四年（公元前89年），汉武帝向天下人昭告：自己给百姓造成了痛苦，从此不再穷兵黩武、劳民伤财，甚至表白内心悔意。这就是《轮台罪己诏》。 这份诏书，是中国历史上第一份帝王罪己诏。
军事
西汉自汉武帝时期开始，国力强盛，大破匈奴，远征大宛，降服西域，收复南越，吞并朝鲜，设置西域使者校尉正式将西域纳入中华版图 ，一说汉宣帝设置西域都护才正式将西域纳入版图 ，西汉版图东抵日本海、南吞交趾、西逾葱岭、北达阴山，奠定了汉地范围；汉武帝时期，张骞出使西域，开辟了丝绸之路，第一次将中国的目光投向了世界，汉使到达了大宛、康居、大月氏、大夏、安息、身毒（即印度）、于阗、扜罙、犁轩等诸国，开拓了连接欧亚大陆的丝绸之路。其中最远到达的犁轩位于埃及亚历山大港，这是汉朝使节到达的最远地区，欧亚非的丝绸贸易就此成型。 …
