武帝東巡海上，祭祀了齊地的八神之後，隨即開始了祭天儀式。由於上古禮儀失傳，武帝於是命令儒生頭戴白鹿皮帽，身穿插笏官服，在泰山下的東方築壇祭天，依照郊祀泰一神的禮儀進行祭天。祭天的壇寬一丈二，高九尺，壇下放有封禪的文書，文書的內容隱秘，無人知曉。祭禮完畢後，武帝帶著幾個隨從登上泰山，在泰山上也舉行了祭天儀式。第二天，武帝順著山北的道路下了山，在泰山腳下東北方的肅然山辟場按照祭祀后土的禮儀祭拜了地神。整個封禪儀式中，武帝都親自祭拜天神、地神。用采自江淮一帶的三稜靈茅做神墊，用代表五方的五色泥土修築了祭壇。還放出遠方奇異的飛禽走獸和白毛野雞等動物，大大增加禮儀的隆重氣氛。舉行封禪大典的那天晚上，天空彷彿有亮光出現，白天又有白雲從祭壇中升起。
修建明堂
泰山腳下的東北方有古代修建的明堂舊址，那裡地勢險要，道路狹窄。武帝在泰山舉行封禪典禮時，想要重新修建明堂，但不知道明堂的形制尺度。有個人向武帝進獻了據說是黃帝時修建明堂的圖紙。圖紙中有一座殿堂，四面沒有牆壁，用茅草製作屋頂，殿堂四周環繞著水池，宮牆四周修有天橋，殿上有樓。從西南方向可以進入殿堂，名為崑崙道，天子由此走進殿堂，在那裡拜祭上帝。武帝就下令按照這個圖紙在奉高縣建造明堂。等到第五年再來舉行封禪時，就讓泰一神和五帝的神位居於上座進行祭祀，讓高皇帝的神主靈位對著他們。用牛、羊、豬各二十頭祭祀后土神。武帝從崑崙道進去，開始按郊祀的禮儀在明堂祭拜。祭拜完畢，在堂下燒掉祭品。然後，武帝又登上泰山，在山頂秘密舉行祭祀。
營建建章宮
公孫卿曾經對武帝說仙人喜歡住在樓閣之內，就建議武帝修建一座台閣來迎候仙人。武帝求仙心切，就下令在長安建造了蜚廉觀和桂觀，在甘泉宮建造了益延壽觀和通天台，又在甘泉宮設置前殿。開始增建宮室，希望招來神仙。
幾年後，在武帝出外巡遊的時候，用於臨朝接見地方官員的柏梁台失火被燒。武帝於是改在甘泉宮臨朝接受各郡國上報的計薄。公孫卿於是說：「黃帝建成青靈台，十二天後就被燒了，黃帝於是修建了明庭。明庭就是甘泉宮。」很多方士也說古代帝王有在甘泉建都的。有個官員建議說：「按照越地的風俗，火災之後再蓋起的房子，一定要比原先的大，才能制服火災。」於是武帝下令修造建章宮。
建章宮位於長安城的西側，規模極大，有千門萬戶。它的前殿比未央宮還要高大。它的東面是鳳闕，高二十多丈。它的西面是唐中苑，裡面有幾十里寬的虎圈。它的北面修了大水池，池名叫做泰液池。池中修建的漸台高達二十多丈，池中有仿照海中仙山堆砌的蓬萊、方丈、瀛洲和壺梁四座神山，還有用石頭雕成的龜魚之類。它的南面有玉堂、壁門和大鳥之類的雕像。建章宮附近還修建了高達五十多丈的神明台、井干樓，樓台之間架設天橋相互連接。
盼不到的仙人
公孫卿在全國各地到處遊歷，以期能遇見神仙。他曾聲稱在緱氏城上看到了仙人的腳印，還有個像山雞一樣的神物，往來於城上。武帝於是親自到緱氏城察看腳印。由於屢次受騙，武帝並沒有輕信，他問道：「你該不是在倣傚文成和五利欺騙我吧？」公孫卿敷衍說：「仙人並非有求於皇帝，而是皇帝有求於仙人。求見仙人，如果不靜心等候，神仙是不會來的。談起求神這種事，好像是迂腐荒誕的，其實只要積年累月就可以招來神仙。」
這之後，公孫卿又謊稱在東萊山見到了仙人，那仙人身高數丈，聲稱要見天子，等靠近去，卻不見了。但他留下了類似禽獸的巨大腳印。武帝於是趕到了東萊山，在那裡留宿了幾天，但只看見了巨大的腳印。群臣中有人說看見一位牽著狗的老人，說「我想要見天子」，一會兒又忽然不見了。武帝見到那大腳印時，還半信半疑，聽到這個消息才對這件事深信不疑。他越發狂熱，留住在海上，秘密派出了數以千計的使者去尋找仙人奇物，採集靈芝仙藥。