夏五月，正历，以正月为岁首。色上黄，数用五，定官名，协音律。
——《汉书·武帝纪》
在改革监察制度，进一步巩固统治的同时，汉武帝还进行了一系列改革，其中有两项改革对后世产生了极大的影响，那便是正式起用年号和对秦汉以来颛顼历的改革。
首先来说起用年号。
汉武帝以前，历代纪年主要采取两种方式，一种是岁星纪年法，一种是帝王在位年序纪年法。
所谓岁星纪年法，就是用木星所在星次来纪年的方式，这种纪年方式在春秋、战国之交时极为盛行。人们在观测到木星约十二年运行一周天后，便将木星称为“岁星”，岁星纪年法因此而得名。
当时，人们分别将甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸十个天干年称为阏逢、旃蒙、柔兆、强圉 、着雍 、屠维 、上章 、重光、玄黓、昭阳；分别将子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二个地支年称为困敦、赤奋若、摄提格、单阏、执徐、大荒落、敦牂、协洽、涒滩、作噩、阉茂、大渊献。
如此一来，甲子年便被称为阏逢困敦，乙丑年被称为旃蒙赤奋若，以此类推。这种纪年方式不仅较为复杂，而且误差较大（木星实际约11.86年运行一周），因而未被广泛应用。
所谓的年序纪年法，便是以帝王的在位时间来纪年。这种纪年方式下，人们记载某位帝王在位期间事件时，通常只标注在位年数，而不标注举具体是哪位帝王，例如秦昭襄王二十五年，便直接写作“二十五年”或“王二十五年”，后世为方便加以区分，才又在具体年份前面加上了帝王谥号。
该纪年方式，通常以帝王即位次年为元年，然后二年、三年以此类推。这种纪年方式不仅使用时间较长，而且在出土的《睡虎地秦简》等史料和文物上极为多见。
在汉武帝以前，虽然大部分帝王自始至终，都使用“一元”纪年，但个别帝王在位期间，因为特殊情况，也曾有过“改元”的做法，例如魏惠王，他于公元前335年举行称王大典，于是便于此年中止了正在使用的三十五年，将次年重新改为元年。之所以这么做，主要是为了中止“侯年”，而改用“王年”，是以称王为标志性事件。
西汉建立以后，从汉高祖刘邦到后少帝刘弘，仍然沿用了年序纪年法，且遵循着“一元”纪年方式。直到汉文帝时，汉文帝刘恒因为种种神异事件，于汉文帝十六年（前164年）下诏将次年改为元年，后世为了加以区分，而以文帝十六年为节点，以前称为“前元”，之后称为“后元”。
汉景帝时，则先后两次下诏改元，后世为加以区分，于是分别标注为“前元”、“中元”、“后元”。
不过，汉文帝和汉景帝改元，均以特殊事件为标志，并无固定规律。直到汉武帝即位后，开始每六年一改元，由于汉武帝在位的前三十余年并没有年号，因此当时用“一元、二元、三元、四元、五元”来加以区分。
直到五元三年（前114年），有大臣认为，既然皇帝是天子，是代替上天来治理天下，又以祥瑞为符应，因此纪年也应该按照上天降下的祥瑞来命名，而不应该按照一、二、三、四这样简单的数字来排列，并建议根据历年祥瑞，为此前各元追加年号。
其中，为彰显建元时代的开始，建议改一元为“建元”；
一元六年（前135年）八月，因为曾有彗星出现在东方，长尾横扫天空，因此建议将二元改为“元光”；
三元六年（前123年），因为这年朔旦与冬至重合为一天，而且回归了同一时刻，由于元朔是指一年的第一个朔日，因而建议将三元改为“元朔”；
四元元年（前123年）十月，汉武帝外出狩猎，猎得一只“一角而足有五蹄”的怪异之兽，因此建议将四元改为“元狩”。
该建议的提出，无疑对于汉武帝稳固统治有着极大的帮助，因此立即便获得了汉武帝的同意。而就在该建议提出的次年，即五元四年（前113年），汉武帝又于河东获得一个宝鼎，于是便又将五元改称“元鼎”。
到了六元元年（前110年），汉武帝因为在该年四月封禅泰山，因而改元“元封”。
不过，当时汉武帝虽然已经同意了使用“天瑞”来纪年，但却并未将该制度固定下来，直到太初元年（前104年）才真正确定下来，正式启用年号纪元，以“祥瑞符应”来确定年号，同时将“每六年一改元”改为“每四年一改元”。
那么，既然是以“祥瑞符应”来确定年号，“太初”作为汉武帝的第六个年号，又是从何而来呢？这还得从同时期的历法改革说起。
汉朝立国之初，诸事草创，大部分沿用秦朝制度，其中也包括历法，沿用的乃是秦朝的《颛顼历》，不过由于《颛顼历》存在的计算误差，随着时间的推移，累积误差已经严重影响到了历法的准确性，朔日（即每月第一天）和晦日（即每月最后一天）的计算亦与实际情况出现明显差异。此外，随着农业的发展，以十月朔日为一年之始的历法年，与人们通用的春夏秋冬四季明显不合。
元封七年（前104年），大中大夫公孙卿、壶遂、太史令司马迁等上书汉武帝，认为原有历法已经不合时宜，建议修改历法。
修改历法不是小事，历法不仅影响着时间计算，同时也影响着百姓耕作，更为重要的是，历法还是君权的象征，汉武帝采纳董仲舒的“天人三策”以后，虽然通过强调君权神授强化了帝王权力，但帝王的行事也要符合上天规律，历法如果不合天象，无疑便会影响帝王的权威。
因此，汉武帝对待历法问题极为慎重，在接到上书之后，便立即召倪宽和博士赐等人商议，众人皆认为历法改革确实势在必行。
于是，汉武帝下诏命令公孙卿、壶遂、司马迁等人议造汉历，并征募侍郎尊大、典星射姓、治历邓平、长乐司马可、酒泉侯宜君、方士唐都、巴郡落下闳等官方和民间天文学家二十余人，共同研究历法改革事务。
众人既分工协作，又发挥各人所学专长，或作仪器进行实测，或进行推考计算，先后提出了十八种改历方案，相应的制定了十八部历法，后经过一番辩论、比较和实测检验，最后选定了邓平、落下闳提出的八十一分律历（即将一天分为八十一分）。
邓平、落下闳以“加差法”替代之前的“减差法”以调整时差，根据天象实测和多年天文记录，《太初历》规定一回归年为365又385\/1539日（即365.日），每月为29又43\/81日（即29.日）。
相较于《颛顼历》，《太初历》有着明显的进步，主要体现在四个方面。
其一，重新确立历元。《太初历》经过精密测定，重新确定了历元（历法中标记时间的开始），即以太初元年冬至朔旦甲子日夜半为《太初历》历法的开始。历元的重新确定，纠正了长期推行《颛顼历》带来的累积误差。
其二，以正月为岁首。《太初历》将原本《颛顼历》的以十月为岁首，以次年九月为年终，改为了以孟春正月为岁首，以冬季十二月为年终。使历法年与春夏秋冬更加贴合，更加科学的反映了农业季节，对指导农业及畜牧业生产生活带来极大方便。也正因如此，后世历法虽然曾多次改革，但始终坚持以正月为岁首，并一直沿用至今。
其三，闰月合理化。《太初历》规定每十九年设置七个闰月，《太初历》不仅第一次把二十四节气纳入了历法，而且通过节气来计算闰月，即以没有中气之月为闰月。与现代统称二十四个节气不同，古代将每月的第一个节气称为“节气”，即立春、惊蛰、清明、立夏、芒种、小暑、立秋、白露、寒露、立冬、大雪和小寒；将每月的第二个节气称为“中气”，即雨水、春分、谷雨、小满、夏至、大暑、处暑、秋分、霜降、小雪、冬至和大寒，如果某月只有节气而没有中气，《太初历》便将该月作为上个月的闰月。这种计算方式，不仅比此前的年终置闰法更为合理，而且调整了太阳周天与阴历纪月不相合的矛盾，使历书与农时季节更为适应。
其四，《太初历》第一次明确提出了一百三十五个月有二十二次交食周期的规律，关于五星会合周期的精度也较前有明显提高，并且依据五星在一个会合周期内动态的认识，建立了一套推算五星位置的历法。
元封七年（前104年）春二月，汉武帝下诏推行新历法，并将元封七年改为太初元年，规定以同年十二月底为太初元年年终，此后每年都从孟春正月开始。
因为自此开始将孟春正月作为一年之始，故汉武帝选用“太初”作为了年号。而正是因为这套历法创建于太初元年，又是自太初元年开始推行，故被称为《太初历》。
历法改革之余，汉武帝还对礼制进行了一定改革，规定崇尚黄色，以五为吉祥数，并重新制定官名、协调音律，确定宗庙、百官的礼仪，以此作为国家常规基本制度，流传后世。