秦始皇求仙失败的教训，并未被后代统治者所吸取，大约一个世纪后，汉武帝又步其后尘。
有一个叫李少君的方士，自称有祭灶、驱鬼、辟谷、长生不老的药方，还说曾到海上见到了仙人安期生，安期生吃的是一种大枣，像甜瓜那么大。要见仙人，须先祭祀灶神，鬼神就会降临，丹砂就可以化为黄金。用这种黄金做饮食的器皿，就可以益寿延年，见到神仙。再进行封禅，就可以长生不死。可惜就在汉武帝兴致勃勃地准备的时候，李少君死了，汉武帝却认为他是“化去”。
李少君去后不久，另一个方士公孙卿又出现在武帝宫里。虽然吃了少翁、栾大的亏，汉武帝对公孙卿所言仍深信不疑，他说：“我如能像黄帝那样成仙，我视离开妻儿如脱鞋耳。”于是他拜公孙卿为郎，让他去太室山为自己候神。同时，开始有关封禅的准备工作。他后来去泰山行封禅大典，根本的目的在于求仙。
汉代的方士中，公孙卿大约是对汉武帝急切求仙的心理揣摸得最透彻的。这年冬天，他声称在河南的糇氏城上发现了仙人的踪迹，武帝兴冲冲地赶到那里欲一见“仙人迹”，却是一场空欢喜，失望之余，欲问罪公孙卿，谁知公孙卿不慌不忙地回答：“仙人对人主没什么求的，是人主有求于他。若非宽以时日，仙人不会来。”武帝竟心悦诚服，于是下命郡国修路，各名山修造宫观，以求神仙降临。为了候仙，举国行动起来，这种折腾，在公孙卿的蛊惑下，如火如荼，势不可当了。
武帝46岁那年冬天，先是到桥山黄帝冢祭祀黄帝。第二年的3月，他礼登太室山，据说从在山下听到有叫“万岁”的。下山后，武帝即直奔东海，今山东一带的百姓似乎都如痴如狂，“上疏言神怪奇方者以万数”。尽管“无验者”，武帝还是不断增加船只，命令自称见到过海上神山的几千人，出海去求所谓的蓬莱仙人。公孙卿则拿着皇帝的符节，带领大批随从，在一些名山候仙，他走到东莱的时候，又声称“夜见大人，长数丈，就之则不见，见其迹甚大，类禽兽云。”武帝又兴冲冲地赶到东莱，亲自观看那巨大的足迹。不知是巧合还是迎合，他手下的大臣们也说他们见到一老人牵着一条狗，说了声“吾欲见巨公”就不见了人影。武帝断定此人即是仙人，就在那里住下，同时让方士们乘皇家传车四处去找这个“仙人”。这次派出去的人数也在千人以上。
因为没有结果，汉武帝暂时离开东莱，于四月顺便封禅泰山。然而他念念不忘的还是求仙，在方士们的怂恿下，他“欣然庶几遇之，乃复东至海上望，冀遇蓬莱焉”。两千多年前的这一幅求仙图景今天看来十分荒诞，一个东方最大国家的皇帝，带着他的大臣们以及无数的百姓，翘首伫立海边，希望看到蓬莱仙山与仙人。那些日子，海市蜃楼正好没有出现，如果正好出现了，我们不知道汉武帝及他的臣民们当时会有怎样的想法，会有怎样的举动。
汉武帝的求仙，公孙卿起了最大的推波助澜的作用。元封二年（公元前109年），公孙卿又向54岁的汉武帝发表了一通议论：仙人可见，但皇上您来去太匆忙，所以见不着。接着，公孙卿第一次提出“仙人好楼居”的意见，武帝于是在长安、甘泉山一带大造高楼。这在中国建筑史上是可以写上一笔的。当时在长安造的高楼称“蜚廉桂观”；甘泉的则叫“益延寿观”。后来又在甘泉造了更高的“通天台”，这“通天台”，唐司马贞注《史记》时引《汉书旧仪》云：“高三十丈，去长安二百里，望见长安城也。”他还命人准备了仙人用的房屋用具，时刻等待仙人的降临。
汉武帝还命人扩建建章宫，“度为千门万户”。建章宫是完全可以和秦始皇的阿房宫比肩的一大宫殿建筑群，不仅四面皆建有宫观楼台，还有虎圈、大池，大池名太液池，池中建有“蓬莱、方丈、瀛洲”等神山，建章宫的“神明台”、“井干楼”高五十余丈，与其他楼观皆车道相属。
武帝一方面大兴土木，四处造楼候仙。另一方面，又前后三次亲自万里迢迢来到东海边，希望遇见仙人。但都毫无结果，《史记·封禅书》云：“方士之候祠神人，入海求蓬莱，终无有验。而公孙卿之候神者，犹以大人迹为解，无其效。天子益怠厌方士之怪迂语矣，然终羁縻弗绝，冀遇其真。自此之后，方士言祠神者弥众，然其效可睹矣。”这段话有两层意思值得注意：一是尽管方士们始终没有找到仙人，武帝对他们的怪迂之谈也有点厌倦了，但他还是心存希望；明明“其效可睹”，即其事可知，武帝还是“冀遇其真”。二是武帝信方士求神仙造成的社会后果，“言祠神者弥众”。司马迁的批评非常含蓄，他似乎一点也没有涉及大规模求仙活动对当时经济活动的干扰和对社会风气的败坏，然而，他的批评又是非常大胆与尖锐的。如果我们比较一下司马迁对汉文帝的不同评价，可能会看得更清楚。
汉武帝的求仙活动是一场为满足私欲的闹剧，它对当时人们的经济与社会生活带来了不小影响。在文化上，它使得神仙方术思想蔓延，还形成了一个独特的方士集团。后来东汉的道教，吸纳了神仙方术，方士们则逐渐蜕变为道士，而在道士们的主导下，神仙思想与求仙活动仍不绝如缕，如大诗人李白就写过“五岳寻仙不辞远，一生好入名山游”，他和武帝一样，也做过一场“神仙梦”。