司马迁料理了父亲的后事，由于皇命在身，不能滞留太久，只得带着自己的一行人，快马加鞭去追赶“封禅”的大队人马。他带着一班人马追到河南境内的缑（gou）氏，终于追上了皇帝的队伍。
司马迁立即向武帝报告出使的经过，又把父亲在洛阳去世的消息做了报告。武帝对他出使西南出色地完成了使命表示满意，让他暂且代行太史令的职务。司马迁意识到，父亲对武帝的为人和个性确实了解得很准确，自己或许会接替父亲的职务；这样也好，更加有利于自己完成父亲的遗命。
夏四月，汉武帝率众臣回到奉高（今山东泰安东北），准备正式行封禅大礼。封禅礼仪是汉武帝早就亲自制定了的，但封禅典礼具体应当如何举行，众儒生和方士们又各抒己见，意见难以统一，又一次让汉武帝恼火，于是他干脆又一次抛开儒生与方士们的意见，自己钦定具体的操作办法。
汉武帝首先到泰山南面的梁父山上，辟地祭地，举行了“禅”礼；然后到泰山东麓（lu），用祭祀太一（上帝）的形式，筑坛祭天，举行了“封”礼。
“封”、“禅”仪式结束后，汉武帝觉得还不够尽兴，还没显示出泱泱大国的气概和他汉武帝的无量功德，于是携了大将霍去病的儿子霍嬗前往泰山之巅，举行了第二次“封”礼。
这次仪式的整个过程是非常隐秘的，司马迁作为汉武帝的亲随，也未得以亲眼一见。汉武帝带着霍嬗在泰山顶上待到第二天才下山，随后又到泰山东北方向的小山肃然山上，参照祭祀后土的仪式，举行了第二次“禅”礼，封禅仪式到此就算告一段落了。
古代皇帝举行重大祭典活动时，总是担心天公不作美，如果天不遂人意，皇帝就会有德行修养不够的嫌疑，当年秦始皇在泰山封禅的时候，遇到了暴风雨，仪式不得不草草了事，儒生博士们在背后都讥笑他不配举行这种封禅大典。
汉武帝此次封禅，风和日丽，很是让他得意：“我的德行无量啊！否则天怎么会这么助我呢？我的功绩盖天啊！否则怎么连统一了全中国的秦始皇都比不过我呢？”群臣对他的赞誉之声更是不绝于耳。
封禅结束后，汉武帝在泰山脚下的明堂接受群臣朝贺，并因首次封禅改年号元鼎为元封。汉武帝诏告说，我以微小的身住居于至尊，小心谨慎唯恐不能当此重任，自己德薄，又不熟悉礼乐，当我以礼祭祀太一神后，昼夜间有光芒四照之景，如此异常之象，我感到恐惧，于是登封泰山，又禅粱父，次禅肃然山，先自革新，愿与大臣们从新开始。然后，武帝广赐牛羊酒布等，又免奉高、历城等地年租，大赦天下，而且诏许凡天子车驾所经之处，免除一切劳役。
武帝封禅后广施仁德，俨然盛世天子，他随后下令，在泰山脚下为诸侯修建官邸，以备他们随驾迎驾封禅泰山之朝宿，泰山附近因此宫殿馆舍群起，常年有迭官贵人往来住宿，逐渐繁荣起来。
汉武帝为泰山封禅令群臣考证古制、演练仪式、建造官邸、修筑明堂，可谓兴师动众，但他意犹未尽，第二年再次来泰山封禅。此后，他又六次驾临泰山封禅，分别是元封五年（公元前106年）、太初元年（公元前104年）、太初三年（公元前102年）、天汉三年（公元前98年）、太始四年（公元前93年）、征和四年（公元前89年）。
从记载来看，汉武帝封禅泰山平均不到三年印有一次，频繁程度大大超出“古者天子五年一巡狩，用事泰山”的古制。他的良苦用心可见一斑。