司马谈对儿子说出临终的遗命后，究竟是马上就逝世了，还是仍拖延着，司马迁没有详细记载，但他既然用“且卒”两字，恐怕拖也不会拖多久，很可能在洛阳就为他父亲办了后事。然后因为任务在身，继续追赶封禅的大队人马，以便向天子汇报奉使西南的成果。
司马迁有没有赶上太室山的祭祀，无法考证。但泰山封禅以后的行程他是赶上了。不过，他并没有机会看到全部的实况，也许是汉武帝因以封禅为求仙步骤而感到心虚，或者怕重蹈始皇的覆辙，在上封途中受阻从而被天下人耻笑，所以封泰山的最后一个程序，即在泰山下的祭礼完毕后上封泰山顶，他仅让最亲信的贴身侍卫奉车子侯（指霍去病的儿子霍嬗）陪他上泰山，但“其他事皆禁”。他们在山上做了什么、发生了什么，没有人知道。接下去就是群臣和方士们的道贺，方士们更说既然天子上封泰山而没有碰到风雨的阻挡，表示神仙“若将可得”，即差不多可以求得了，鼓励汉武帝继续努力。
于是，司马迁有机会跟着大队人马到了东边的海上，观看汉武帝为求见蓬莱仙人所作的安排。可惜，先前单独一人陪汉武帝上封泰山的奉车子侯突然暴病死了。神秘的典礼，神秘地死了人，谁也无法准确地说出霍去病的儿子为何而死，他年纪轻轻，用“暴病”两字应再恰当不过了，司马迁只好这样记载。但据说方士们都以子侯得仙，告诉大家他的死“不足悲”，真是天晓得！
司马迁又随大队人马从东边海上转到碣石山。这究竟是现在的什么地方，有好几种说法，甚至有的人认为这里已经沉没在大海中了。碣石山大体在今河北省东北边、山海关以南沿海一带。其中有一种说法认为是今昌黎县北十里的“仙人台”，可见也是方士们所说神仙出现的地方。从碣石山再往北边去，经辽西沿着长城到五原（秦代的九原，汉朝作五原，现在有五原县，在内蒙古包头西北方，河套北岸），然后南下到陕西中部的甘泉，这也是方士口中的圣地。
从四月封禅泰山梁父，到甘泉才五月间，借着直道的便利，只花了一个月时间，走了一万八千里。这次旅行对司马迁来说，收获最大的就是目睹了万里长城，也亲身到了使燕、齐之士产生奇幽幻想的东方海边。他在《蒙恬列传》的评语中说，他从北方边境经直道到甘泉再回到长安。
直道是秦始皇三十五年（公元前212年，即秦始皇驾崩的前一年，也是坑儒于咸阳的那年）才建成的，从五原直通甘泉。他说当年秦始皇初灭诸侯，天下的人心未定，所受的创伤也还未恢复，蒙恬以一名将，在那种时候，不施以强谏，请秦始皇先解决社会、民生问题，却仍一味地“阿意兴功”，轻率地滥用民力，去修筑长城和直道，到最后蒙恬兄弟被杀死或吞药自尽，“不亦宜乎？”
这一段感慨大概也是因为此次旅行才触景而生的吧！这一年是元封元年（元封就是第一次封禅，公元前110年）。除了封禅以外，司马迁也目睹了汉武帝财经政策的成果。
汉武帝为了实行他的宏图大略，授实权给法家人士，为他充分集中国力，其中法家有一项重大的责任就是要尽可能开发财政来源。其方法可归纳为两大类：一是扩大课征杂税；一是加强国营事业的经营。后者又分为专卖的与非专卖的国营事业。实行专卖的有盐、铁和酒；非专卖的则有均输与平准两法。均输的办法是各郡国每年按规定应该献给皇帝的土产，不必运到京城，可以交由设在各地的均输官转运到市价比较高的地方去卖，收入归中央政府。平准的办法是在京城设立平准局，搜罗天下各地的各种货物，价钱便宜的时候买进来，价钱贵的时候卖出去，一方面可以平抑物价，一方面政府可以获得利润。为汉武帝主持这些财经政策的是洛阳商人的儿子桑弘羊，他很了不起地使国家财政在汉武帝的挥霍之下不致于枯竭，并使物价保持平衡稳定。
元封元年，正是平准法施行见其成果的一年。司马迁亲眼看到，而且在《史记·平准书》中这样写道：“于是天子北至朔方，东到泰山，巡海上，并北边以归。所过赏赐，用帛百余万匹，钱金以至万计，皆取足大农。”大农就是大司农，是九卿之一，主管全国财政。
这次封禅大典，汉武帝所花费的巨大开支及赏赐等，都是使用的由于平准法的实施而带来的财政收入。不过，这种以吏为商，与民争利的办法，却渐渐产生了流弊，司马迁写的《史记·平准书》就是观察了那些现象而作的记录。
第二年（公元前109年）方士公孙卿又说他见到了山东东莱山的神仙，神仙说想见天子，于是司马迁又有机会跟随着汉武帝东巡了。先到糇氏城（太室山就在附近），然后来到了东莱山，留宿了好几天，可是根本没遇到什么神仙。
那年天气大旱，汉武帝回来的途中在万里沙（东莱郡掖县之北）祷雨，然后再去祭祀泰山，祭祀完泰山来到了河北南部，今濮阳县南的瓠子。早在二十二年前（公元前131年，司马迁十五岁那年），黄河就在此决口，大水流向东南。汉武帝曾命人治河，但总是修好了又坏，而当时的宰相正是汉武帝母后的同母异父的弟弟田蚡，他有一部分封邑在黄河的北边，黄河是在瓠子南面决的口，正好使他的封邑没有遭受到水灾。于是他对汉武帝说：“江河之决，皆天事，用人力加以强塞，未必能与天意相应。”另外一些观气者也持同样的看法。
著《廿二史改异》的钱大昕认为，田蚡这个见解是“老成谋国之言”，说他为了自己的私利阻止整修瓠子口的工程并非公论。不过，不论怎么说，汉武帝从此就有二十二年没再理会这个问题。
这年干旱，汉武帝先命汲仁、郭昌率领几万人去进行塞河工程，等他祭祀完泰山后来到瓠子，他命令所有随从的大臣、侍卫，从将军以下，一律带着薪柴或竹子，在黄河决口处，密密地插成一道“墙”，并把土石填在里面以塞河。另一种说法认为是用竹片编成长四丈、大九围（五寸一围）的大袋子，里面盛石子，由两船夹载到适当位置下水填塞，这个工程叫做“下竹楗”。
这次天子亲自领导的塞河工程，就是历史上有名的“负薪塞河”之役。司马迁实地参加了，汉武帝除了命人塞河以外，也亲自祭河，把白马玉璧投入河中，并且因为怕无法成功，特地作了《瓠子之歌》。
司马迁说：“余从负薪塞宣房，悲瓠子之诗，而作河渠书。”宣房或可作“宣防”，是指因这次工程而在瓠子盖的宣房宫。“防”就是塞河防水灾，“宣”则是为河水另开两条通路加以疏导。《史记·河渠书》就是司马迁在这次实际参与中有所感触和对《瓠子之歌》的感慨才作的。