汉武帝征和三年，公元前90年，正月，汉武帝巡游至雍，又到了安定、北地二郡。匈奴侵入五原、酒泉二郡，杀了二郡都尉。三月，汉武帝派李广利率兵七万从五原出塞，商丘成率兵二万从西河出塞，马通率骑兵四万从酒泉出塞，出击匈奴。五月，朝廷大赦天下。
匈奴单于得到汉朝大举出兵的消息，便将全部财产向北转移到郅居水；左贤王让匈奴人渡过余吾水六七百里，居住在兜衔山；单于亲自率领精兵渡过姑且水。商丘成率军走捷径追击匈奴，但没见到匈奴人的踪迹，遂撤兵。匈奴单于派遣大将与李陵一起率领三万多骑兵追击汉军，双方转战九日，来到蒲奴水，匈奴军作战失利，退兵。马通率军来到天山，匈奴单于派大将偃渠率领二万余骑兵拦击汉军，见汉军兵力强盛，只好退走，马通部既没受什么损失，也没有什么收获。汉朝廷怕车师国出兵阻击马通部，便派开陵侯成娩率领楼兰、尉犁、危须等六国军队包围了车师国，将车师王及其国民全部俘获后返回。贰师将军李广利率兵出塞，匈奴单于派右大都尉与卫律率领五千骑兵在夫羊地区的句山狭谷中拦击汉军，李广利将其击败，并乘胜追击到了范夫人城。匈奴军逃走，不敢再和汉军接战。
李广利率军出塞时，丞相刘屈牦为他饯行，并一直送到渭桥。李广利说：“希望您早日奏请皇上立昌邑王为太子。如果昌邑王能即皇帝位，您以后还有什么可担忧的呢？”刘屈牦答应了。昌邑王刘髆是李广利的妹妹李夫人所生，李广利的女儿又是刘屈牦的儿媳妇，所以二人都希望立昌邑王为太子。这个时候，内者令郭穰向武帝告发，说“丞相夫人诅咒皇上，又与贰师将军一起祈祷神灵，要让昌邑王为帝”，汉武帝下令调查，结果属实，定为大逆不道之罪。六月，汉武帝下令逮捕丞相刘屈牦，游街示众，在长安东市腰斩，刘屈牦的夫人和儿子在华阳街斩首，悬首示众；李广利的妻子儿女也被逮捕。李广利得知这一消息后，非常忧惧，他的一位因避罪而从军的幕僚胡亚夫劝他：“将军的夫人和家属都已被逮捕下狱，将军若是回去，如果皇上不高兴，就可能把您也下狱，到那个时候，即使再想投降，也是不可能的了。”但李广利仍然犹豫，还是希望能够深入匈奴腹地立功，皇上或许还能放他一马，于是率军继续北进至郅居水畔。此时，匈奴军队已经退去，李广利命令护军将领率骑兵二万渡过郅居水，与匈奴左贤王、左大将率领的二万骑兵遭遇，双方大战一日，汉军杀死左大将，匈奴兵死伤甚众。但汉军长史与决眭都尉辉渠侯认为：“贰师将军已怀有二心，却想将全军置于危险境地以求建立功绩，恐怕一定要失败。”于是二人合谋共同擒拿李广利。李广利接到密报，斩了长史，率兵退至燕然山。单于知道汉军已疲惫不堪，便亲率五万骑兵拦击李广利，双方都伤亡惨重。夜里，匈奴派军在汉军前进的路上挖了一条深达数尺的濠沟，然后在汉军背后发动猛攻，汉军大乱，李广利投降。单于平时就知道李广利是汉朝大将，便将女儿嫁给他，对他的尊宠在卫律之上。汉武帝听说后，便灭了李广利宗族。
九月，原城父县令公孙勇与其门客胡倩等谋反。胡倩诈称自己是光禄大夫，奉命缉捕盗贼。淮阳太守田广明发觉有诈，派兵将胡倩逮捕处死。公孙勇身穿绣衣，坐着四匹马拉的车被押至圉县，圉县守尉魏不害等人将其杀死。汉武帝封魏不害等四人为侯。
相关部门在调查处理巫蛊案中发现，官吏和百姓相互告发的罪状大多不实。此时，汉武帝也知道了太子刘据是因为被江充逼迫害怕才起兵的，并无他意，正好守卫汉高祖刘邦祭庙的郎官田千秋又上紧急奏章，为太子鸣冤：“作儿子的擅自动用父亲的军队，罪应鞭打。天子的儿子误杀了人，又有什么罪呢？我梦见一位白发老翁，教我上此奏章。”汉武帝于是猛然醒悟，召见田千秋，对他说：“父子之间的事，外人是难以插言的，只有你知道其中的不实之处。这是高祖皇帝的神灵派您来指教于我，您应当担任我的辅佐大臣。”随即任命田千秋为大鸿胪，将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾在泉鸠里对太子兵刃相加的人，开始时被任命为北地太守，后来也被满门抄斩。汉武帝怜惜太子无辜遭害，便特地修了一座思子宫，又在湖县建了一座归来望思台，百姓听说这件事后，都很悲伤。
汉武帝征和四年，公元前89年，正月，汉武帝巡游东莱，来到海边，想要乘船入海访求仙山。群臣劝阻，武帝不听。此时，海上大风猛烈，天昏海暗，波涛汹涌。汉武帝在海边呆了十几天，无法行船，只好返回长安。
二月初三，雍县上空没有乌云，却出现三声像打雷一样的声音，落下两颗陨石，像黑色的玉石。三月，汉武帝到钜定县亲自耕田，回京途中巡游泰山，扩建祭天神坛；二十六日，在明堂举行祭祀仪式；二十九日，在石闾山祭祀地神，并接见群臣，说：“朕自即位以来，干了很多狂妄悖谬之事，使天下人愁苦，朕后悔不及。从今以后，凡是伤害百姓、浪费财力的事，一律停止！”田千秋说：“谈论神仙之事的方士很多，但都没有什么明显的成效，请皇上将他们一律罢斥遣散。”汉武帝说：“大鸿胪说的对。”于是将那些等候神仙降临的方士全部遣散。此后，汉武帝每每面对群臣叹息，说：“我往日愚惑，受了方士的欺骗。天下怎会有神仙，全是胡说八道！节制饮食，服用药物，最多可以少生些病而已。”
六月，汉武帝返回长安，住在甘泉宫。六月二十五日，汉武帝擢升大鸿胪田千秋为丞相，封为富民侯。田千秋没有其他的才能，也没有什么值得称道的资历和功劳，只是因为一句话使汉武帝醒悟，就在数月之中登上丞相高位，晋封侯爵，世所罕见。但田千秋为人敦厚有智慧，身居相位还算称职，超过他前后的几位丞相。
此前，搜粟都尉桑弘羊和丞相、御史向武帝上奏说：“轮台东部有可以灌溉的农田五千顷以上，可派屯田卒前去屯田，设置校尉三人分别管理，增种五谷；由张掖、酒泉派骑兵作为警戒（斥侯）；招募民间强壮有力、敢远赴边塞的人前往该地，垦荒灌溉；逐渐修筑亭燧，城墙向西延伸，用以威镇西域各国，辅助乌孙。”汉武帝下诏，对他已往的所作所为深表悔恨，说：“以前有关部门奏请要增加百姓赋税，每人多缴三十钱，用以加强边防，这是加重老弱孤独者的负担。如今又奏请派遣兵卒赴轮台屯田。轮台在车师西面一千余里，上次开陵侯成娩攻打车师时，虽然取得了胜利，抓了车师王，但因路途遥远，缺粮乏食，死于途中的有数千人，何况再往西呢？过去是朕糊涂，听信了一个名叫作弘的军候上书说的，说匈奴人将马的四蹄捆住，扔到城下，扬言说什么中国人，我给你马匹，再加上匈奴长期扣留汉使不让回朝，所以才派贰师将军李广利兴兵征讨，为的是维护汉使的威信。古时候，与卿、大夫商议国家大事，要参照占卜的结果，如果不吉利，就不能行动。先前，朕曾将军候弘的上书交给丞相、御史、二千石大臣、各位大夫、郎官、研究经典的官员等传阅，又下到各郡、国都尉等，都认为匈奴人捆住自己的马匹是最大的不祥，或者认为匈奴是力量不足而向我国显示强大。公车方士、史官、星象官、望气官和负责占卜的官员都认为是吉兆，匈奴必败，时机不可再来，又说遣将北伐，到鬴山必胜，还说卦辞显示，诸将中以派贰师将军前去最吉。所以朕亲自派李广利率兵前往鬴山，并令他务必不要深入。如今看来，当初的谋划、卦兆全都与事实相反。重合侯马通曾擒获匈奴探马，报告说匈奴人捆住马匹是为了对汉军进行诅咒。匈奴人常说，汉极为广大，但汉人不耐饥渴，放走一只狼，就要损失上千只羊。之前李广利兵败，将士们或战死，或被俘，或四散逃亡，朕每念及此，常感悲痛。如今又奏请要派人远赴轮台屯垦，修筑亭燧，这是使天下人困扰劳苦之举，不是对百姓的优待，朕不忍听！大鸿胪等又建议招募囚犯送回匈奴使者，让他们刺杀匈奴单于，回来后给他们封侯。这样的事，连春秋五霸都不肯做的。况且匈奴得到汉朝投降的人，常常搜查全身，严加盘问，这样的计策又怎么可以实现呢？当务之急，在于严禁官吏对百姓苛刻暴虐，废除擅自增加的赋税，致力务农，恢复为国家养马者免其徭役赋税的法令，以补充战马损失，不使国家军备削弱而已。各郡、国二千石官员要分别进呈本地畜养马匹补充边备的计划，与呈送户籍、财政簿册的人员一同赴京奏对。”
从此，汉武帝不再派兵出征，封田千秋为富民侯，以表示要实行休养生息的政策，增加社会财富以养百姓。汉武帝又任命赵过为搜粟都尉。赵过精通耕地轮作之法，在耕耘技术和农具制造方面都有造诣。赵过将这些技术教给老百姓，老百姓用力少而收获多，因此都感到很便利。
司马光评论说：天下并不是没有人才。汉武帝先是好征服四周蛮夷建立功业，勇猛不怕死的人便充满了朝廷，开疆拓土，无不如愿。到后来修养生息，重视农业生产，又有赵过等人教导百姓耕作，百姓也获得了很大的利益。君王兴趣爱好不同，就总有人才相应。假如汉武帝兼有夏禹、商汤、周文王的器度，来复兴商、周时期的太平治世，难道会没有夏、商、周三代那样的辅佐之臣吗？
卫律妒恨李广利在匈奴单于那里受到的尊宠，正好单于的母亲大阏氏生病，卫律便指使胡人巫师声称：“先单于曾经生气地说，我们匈奴以前在出征时祭祀时常说，要抓住李广利用来祭祀土地之神。如今为什么不用呢？”于是李广利被逮捕。李广利骂道：“我即使死了，作鬼也要灭了匈奴！”之后，匈奴将李广利杀了用来祭祀。
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