鉤弋夫人死後半年，劉徹移駕五柞宮。當時是後元二年（前87）二月，冬天雖然過去了，但天氣依舊寒冷。在五柞宮裏待了幾日，劉徹突然覺得身子骨前所未有地沉重，然後便一病不起。劉徹覺得自己快不行了，趁著神智暫且清醒，就把霍光、金日磾等人叫到麵前，指著牆壁上的一幅圖讓霍光等人看，然後有氣無力地說意欲立幼子劉弗陵為儲君，讓霍光擔任周公的角色，金日磾和桑弘羊、上官桀等一起輔佐，共同守護漢室江山，治理天下。
霍光是霍去病同父異母的弟弟，很小的時候就被霍去病帶到了長安。霍去病死後，霍光便留在了劉徹身邊，耳濡目染幾十年，到此時已十分曆練。霍光見劉徹彌留之際任命自己為托孤大臣，不由得誠惶誠恐。
叮囑了霍光，然後頒下最後一道詔書，劉徹就閉上了眼睛，這個雄才大略兼鐵血手腕的帝王，就這樣與世長辭。
遺詔是劉徹留給後世之人的最後遺物，沒有大漢疆域那麼遼闊，也沒有大漢國威那麼震懾四夷，這道遺詔，隻是一份心平氣和的勸告書，總結一下大概的意思，劉徹是這麼交代他的兒子劉弗陵的：
“皇太子，我最近經常患病，估計不久便要離開你，離開人世了。天子是天道之子，是萬民的天子，我死之後，你要舉賢良，輕賦稅，珍重天下，善待百姓，隻有這樣，才能避免秦亡的教訓，讓我們大漢國威永存……”
劉徹死後，第二日，時年八歲的劉弗陵登上皇位，是為漢昭帝。
後元二年（前87）三月甲申，劉徹葬於茂陵，廟號世宗，諡號孝武。
武者，威強睿德曰武。
漢武帝大事年表
景帝前元元年（前156）
劉徹出生，皇十子。
景帝前元四年（前153）
漢景帝封劉徹為膠東王，時年四歲。
景帝前元七年（前150）
漢景帝立劉徹為儲君，時年七歲。
景帝後元三年（前141）
漢景帝駕崩，劉徹即位，時年十六歲。
武帝建元元年（前140）
用趙綰、王臧開始建元新政。
武帝建元二年（前139）
新政失敗，劉徹開始韜光養晦。
武帝建元三年（前138）
派遣張騫出使西域。
武帝建元六年（前135）
竇太後病死，劉徹正式執政。
武帝元光二年（前133）
馬邑之圍，漢匈關係轉變。
武帝元光五年（前130）
衛青大破龍城。
武帝元朔元年（前128）
衛子夫生劉據，封衛子夫為皇後。
武帝元朔二年（前127）
頒布《推恩令》，衛青收複河朔之地。
武帝元朔三年（前126）
張騫出使西域歸來。
武帝元朔五年（前124）
衛青擊敗匈奴右賢王，拜為大將軍。
武帝元朔六年（前123）
霍去病始戰，封冠軍侯。
武帝元狩二年（前121）
霍去病收複河西走廊。
武帝元狩四年（前119）
衛青大戰匈奴於漠北，霍去病封狼居胥山，從此漠南無王庭。
武帝元狩六年（前117）
大司馬、驃騎將軍霍去病薨。
武帝元封五年（前106）
大司馬、大將軍衛青薨。
武帝天漢二年（前99）
李陵戰敗投降，司馬遷遭刑。
武帝征和二年（前91）
巫蠱之禍起，皇後衛子夫與太子劉據先後自殺。
武帝征和四年（前89）
漢武帝為太子平反，發布《輪台罪己詔》。
武帝後元二年（前87）
漢武帝駕崩，終年七十歲，在位共五十四年，葬於茂陵，諡號孝武皇帝。遺命霍光、金日磾、上官桀輔佐幼子劉弗陵即位，為漢昭帝。
漢宣帝本始二年（前72）
漢宣帝劉詢尊武帝的廟號為世宗。