晚年的政治混乱
巫蛊之祸
参见：巫蛊之祸
征和元年（公元前92年）十一月，巫蛊之祸兴起。丞相公孙贺之妻使用巫术诅咒及在驰道埋木偶人的事件被告发，公孙贺一家被斩杀，同时还牵连到阳石公主和皇后卫子夫所生的女儿诸邑公主。其后汉武帝又发动了三辅骑士在皇家园林进行搜查，并且在长安城中到处寻找，过了11日才收兵。征和二年七月，与太子刘据结怨的武帝宠臣江充指使胡巫，说宫中有蛊气。武帝命令江充与按道侯韩说等入宫追查，江充诬告太子宫中埋的木人最多，又有帛书，所言不守道法。太子得知后非常恐惧，听从少傅石德的计策，派人诈称武帝使者捕杀江充等人。汉武帝命令丞相刘屈牦派兵击溃太子，太子举兵对抗。激战五日，太子兵败逃亡，被汉武帝所废，被围捕，乃自杀，灭族，唯其孙子刘病已得亲信保全。征和三年，此谋反案的根源巫蛊案真相渐明，大臣上书直言进谏，武帝感悟，下令族灭贰师将军李广利、丞相刘屈牦、太监苏文、江充家族。
轮台罪己
参见：轮台罪己诏
汉武帝将盐铁酒国营专卖，实行平准均输政策，防止商人从中渔利，从而增加政府收入，达到了调节物价及防止市场垄断的功效，但是亦造成了与民争利的局面。商人遂将注意力转移至土地买卖，导致土地兼并严重。虽然汉武帝武功极盛，但是到处征伐也造成了国库空虚，大量人民被征召从军，死伤甚重，也影响了经济发展。由于民生困苦、社会动荡不安、人民流离失所及民怨沸腾，天汉二年（公元前99年），齐、楚、燕、赵和南阳等地相继爆发大规模农民起义；征和四年（公元前89年）汉武帝颁下了《轮台罪己诏》向人民承认自己的罪过及公开反省。
临终托孤
参见：霍光
汉武帝晚年得子刘弗陵，甚爱之。刘据于巫蛊之乱死后，汉武帝立刘弗陵为太子。太子即位前不久，其生母钩弋夫人被处死，避免未来再有太后涉政的现象。前88年，汉武帝命令画工画了一张《周公背成王朝诸侯图》送予霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿刘弗陵作为未来皇帝。对此，中国史学家吕思勉先生对《汉书·霍光传》的此记载颇有异议，认为汉武帝于临终前杀掉刘弗陵生母是为了避免母后干政、托孤说的“立少子，君行周公之事”和画周公辅政图完全属于捏造。
前87年3月29日（二月丁卯），汉武帝驾崩于五柞宫，享年70岁。4月15日（三月甲申），葬于茂陵，谥号为孝武皇帝，庙号为世宗。
文学造诣
汉武帝爱好文学，为提倡辞赋的诗人。他个人的文学造诣甚高，在南北朝以前的皇帝中属于文采一流的人物，颜之推把他归类为曹操、曹丕一级文才的君主。明朝王世贞以为，其成就在“长卿下、子云上”（《艺苑卮盐》）其他存留的诗作，《瓠子歌》、《天马歌》、《悼李夫人赋》都“壮丽鸿奇”（徐祯卿《谈艺录》），为诗词评论家所推崇。
后妃
汉帝自刘邦以降，皇帝择夫人，多由美色而定，如高祖择薄姬、武帝幸卫子夫等；迥异于先秦之际，周代天子、诸侯间后妃婚配，女子多来自异姓诸侯间宗室，皆受过良好的教育，是故较无“外戚乱政”之问题。西汉开国后，汉高祖曾立誓曰：“非刘氏而王，天下共击之”，于是汉代天子既无诸侯王女婚配，立后妃标准但凭帝王喜恶，外戚格局自西汉产生质变，其中以汉武帝立寒门出身的卫子夫为皇后为志，在此之前，西汉诸帝固然宠爱寒门，却不致封后。
陈皇后，太子妃，后为皇后。后因无子失宠加上涉嫌巫蛊被废居于长门宫。死后以馆陶公主之女的身份葬在其外公汉文帝霸陵的郎官亭东。
卫皇后，在位38年，生卫长公主、诸邑公主、石邑公主、太子刘据。 巫蛊之祸中支持刘据起兵，后被武帝缴其印玺后自杀，被苏文以小棺葬于长安城南的桐柏。 汉宣帝即位后以皇后之礼改葬，并设置思后园。
王夫人，生齐怀王刘闳。
李姬，生鄂邑公主、燕刺王刘旦、广陵厉王刘胥。
李夫人，武帝逝世后被霍光追封为孝武皇后，配飨汉武帝，葬于茂陵。生昌邑王刘髆。
尹婕妤
赵婕妤，又称钩弋夫人，生汉昭帝刘弗陵。被武帝赐死，葬于云陵，昭帝即位后被追封为皇太后。
据《史记·外戚传》，汉武帝即位后数年没有生育：“武帝初即位，数岁无子。”汉武帝的有生育的后妃皆出身低微：“及李夫人卒，则有尹婕妤之属，更有宠。然皆以倡见，非王侯有土之士女，不可以配人主也。”“故诸为武帝生子者，无男女，其母无不谴死。”可见《史记》这里写的“生子”“无子”，是生儿生女都算上。
名臣良将
卫青、霍去病、霍光、董仲舒、张骞、司马迁、司马谈、李广、李陵、桑弘羊、主父偃、苏武、司马相如、东方朔、汲黯、窦婴、韩安国、田千秋、李敢、公孙弘、金日䃅
逸事典故
双性恋
根据《史记》和《汉书》的描述，汉武帝为双性恋。记载于史书上的佞幸（有公职或者贵族身份的男性情人）有韩嫣、李延年和韩说。《佞幸列传》纪录李延年“与上卧起，甚贵幸。”大臣金日?之子亦曾经为弄儿（少年男性情人）。
根据《汉书 佞幸传》记载，卫青和霍去病也曾经被刘彻爱幸：“卫青、霍去病亦以外戚贵幸，然颇用材能自进。”，不过后来并未有依赖与刘彻的亲密关系而获得名利，而是依靠自身的才华和功勋成为名将。《史记·卫将军骠骑列传第五十一》中又暗示卫青“以和柔自媚于上，然天下未有称也。”
《天地阴阳交欢大乐赋》、《艺文类聚·宠幸》、《情史·情外类》引述史书里，汉武帝宠幸的韩嫣记载，视之为男风代表。
代汉者当涂高预言
汉武帝巡游汾河，在船上和群臣饮宴，汉武帝突然对群臣说：“汉朝有六七之厄，六七四十二，汉朝传到第42代皇帝，会有当涂高取代汉朝。”群臣说：“汉朝应天受命，王朝长过商周，永世不绝，陛下为何说这种亡国之言？”汉武帝表示“只是醉言，但是自古以来没有一姓可以一直拥有天下，不过即使汉朝灭亡，不要灭亡在我父子手上就行。”
当涂高的意思是路上有很高的东西，后来的公孙述、袁术和曹丕等都用“代汉者当涂高”这句谶言为自己称帝造势。
微服外出
汉武帝建元年间，汉武帝和随从微服外出打猎，麻烦事不断。一天夜晚汉武帝和随从投宿旅社，旅社主人觉得一行人来者不善，对汉武帝等人非常傲慢。旅社主人准备和门客一同杀死汉武帝等人，但是主人妻子觉得汉武帝等人气势非凡，不像强盗，于是将她丈夫灌醉，偷偷放走汉武帝等人。后来又不慎踩伤农民庄稼，引发纠纷，农民叫来县令，汉武帝自称平阳侯，县令本想拜谒，汉武帝随从却想鞭打县令。县令大怒，扣押汉武帝随从，拒绝他们离开。汉武帝不得已，向县令展示皇家身份，县令才予以放行。后来汉武帝微服外出的举动被众人得知，地方政府纷纷建立行宫招待汉武帝。汉武帝认为微服外出会扰民，干脆建立上林苑，专供皇家打猎。