汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸打击自己过去所为颇有悔意，下《轮台罪己诏》
汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸造成父子相残、太子刘据自杀，种种打击使武帝心灰意冷，对自己过去的所作所为颇有悔意。在登泰山、祀明堂之后，武帝下《轮台罪己诏》说“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”以表示承认自己的错误。天下也因此又逐渐归于和谐，为昭宣中兴的盛世奠定了基础。
汉武帝于弥留之际托孤霍光辅佐，立刘弗陵为太子；刘彻去世后葬于茂陵
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。在这段时间里（具体时间不详），刘弗陵的母亲钩弋夫人“因过”受到斥责，忧死于云阳宫。一般认为是子幼母壮，为了防止钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝找借口处死了她。
公元前87年二月，汉武帝于弥留之际立刘弗陵为太子，四天后的丁卯日，汉武帝驾崩于五柞宫，享年七十岁。三月甲申葬于茂陵。霍光正式接受汉武帝遗诏，成为
汉昭帝刘弗陵的辅命大臣，与车骑将军金日磾、左将军上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同辅佐朝政。 其后继者昭帝（实为霍光掌政）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。
刘彻去世后，谥号孝武皇帝，庙号世宗，葬于茂陵（今陕西兴平县东北）。
魏晋南北朝之前，去世的皇帝能否追尊庙号有非常严格的规定，按照“祖有功而宗有德”的标准，开国君主一般是祖、继嗣君主有治国才能者为宗。西汉十四帝，历经211年，仅有四位皇帝拥有庙号，即太祖高皇帝
刘邦、太宗孝文帝刘恒、世宗孝武帝刘彻、中宗孝宣帝刘询。
