史书《罪己诏》记载：「朕自即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓、靡费天下者，悉罢之。」强调「当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农。修马政复令以补缺，毋乏武备而已。」
公元前88年，汉武帝叫画工画了一张“周公背成王朝诸侯图”送给霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。子幼母壮，为了防止太子的年轻母亲钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝狠下心找借口处死了她。公元前87年二月丁卯，汉武帝驾崩于五柞宫，享年七十岁。三月甲申葬于茂陵。
轮台罪己诏，晚年丧子和军事上的失利，使武帝在精神和思想上受到了严重的打击。征和四年（公元前89年），他对大臣们说：我即位以来，办了很多错事，使天下百姓愁苦，现在后悔也来不及了。今后凡是伤害百姓，浪费财物的事情，一律停办。丞相田千秋建议：很多文士都谈论神仙，但都没有成效，应当罢斥。武帝听后说：我从前太愚蠢，受了方士的欺骗。其实天下哪有什么仙人，全是方士们妖言惑众。注意饮食和服药，就可以减少疾病了。于是，便将方士全部遣散。
正当武帝为自己从前的所作所为深感后悔之时，搜粟校尉桑弘羊等人上书，请求派遣兵卒在轮台（今新疆轮台县东南）屯田，并严敕边郡太守、都尉，加强对边防烽火的管理，选拔战士，积蓄粮草。这个建议虽然有益于巩固边防，武帝却没有同意。他针对桑弘羊等人的上书，颁布了一道诏书，这就是着名的轮台罪己诏.武帝在诏书中说：曩者，朕之不明，……兴师遣贰师将军（即李广利），……贰师败，军士死略离散，悲痛常在朕心。而击车师时，……发兵，凡数万人。……汉军破城，食至多，然士自载不足以竟师，强者尽食畜产，赢者道死数千人。
诏书接着说：前有司奏，欲益民赋三十助边，是重困老弱孤独也。而今又请遣卒田轮台，轮台西于车师千余里……今请远田轮台，欲起亭隧，是扰劳天下，非所以优民也。今朕不忍闻。武帝还特别强调指出，当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农.至于修马复令，只是用以补缺，毋乏武备而已。
颁布轮台罪已诏，是汉武帝统治政策的重大变化。它表明汉武帝已决心不再主动对匈奴用兵，而要注重发展农业，提倡农耕以恢复生产。为实现这一政策，汉武帝不但下令不复出军，而且还在征和四年封丞相田千秋为富民侯，以明休息，思富养民也。
同时，还任命赵过为搜粟校尉，推广代田法，并下诏重申：当今之务，在于力农。汉武帝一生致力于加强中央集权，建立了巩固统一的西汉帝国，奠定了中华民族辽阔疆域的基础。但与此同时，在他统治期间，穷奢极欲，繁刑重敛，内侈宫室，外事四夷，信惑神怪，巡游无度，使百姓疲敝，起为盗贼，按司马光的评价，其所以异于秦始皇者无几矣.而西汉王朝所以有亡秦之失而免亡秦之祸，同汉武帝晚而改过，有十分密切的关系。
汉武帝还没有来得及全面推行其与民休息的政策，便于后元二年（公元前87年）去世了。其后继者昭帝和宣帝坚持执行武帝晚年制定的与民休息的政策，因而在西汉中期出现了被后世称颂的昭宣中兴局面。
刘彻不但是一位雄才大略的政治家，也是一位爱好文学、提倡辞赋的诗人。明人王世贞以为，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》也“壮丽鸿奇”（徐祯卿《谈艺录》），为诗论家所推崇。他的这首清丽隽永，笔调流畅的《秋风辞》，历来为人们所称道。此诗虽是即兴之作，一波三折，抒写得曲折缠绵。沈德潜《古诗源》卷二：“《离骚》遗响。文中子谓乐极哀来，其悔心之萌乎？”以“《离骚》遗响”观之，乃就文辞而言，沈德潜的评价非常切实。鲁迅称此诗“缠绵流丽，虽词人不能过也。”
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