西漢建立初始，因為天下初定，諸事草創，各類典章製度都來不及製定，所以襲用秦代的曆法，也就是《顓頊曆》。以亥月——也就是後來所說的陰曆十月——為“正”。
從秦始皇當政至漢武帝元封（前110―前105 年）年間，曆經一百餘年，誤差積累已很明顯，出現朔晦月見等實際月象超前曆譜的現象。
曆法的錯亂，不僅不利於民眾的生產、生活，而且有損代行天道的天子的威望。所以，要求改正朔的呼聲愈來愈高。
於是，在元封七年（前104 年），太中大夫公孫卿、壺遂和太史令司馬遷上書漢武帝：“現行的曆法紀年都已壞廢，與實際的天道運行不符，應當更改正朔。”
漢武帝自然對這件事情很是看重。於是，召見了他們。
“皇上，曆法必須改了，顓頊曆本來與實際月份就有誤差，現在從秦始皇到如今已百餘年，如不更改，差距隻會越來越大，這樣對農業生產也不利。”
提到農業生產，有雄才大略的漢武帝馬上嚴肅起來，便問：“朕問你，顓頊曆為何誤差大？”
“回皇上，因為秦始皇時候的顓頊曆是以十月為歲首，這與春夏秋冬不太相符，微臣以為應以正月為歲首，這樣與季節才相符合，與季節相符的曆法方適用於農業。皇上不是要大力發展農桑嗎？那就必須有正確的曆法。”
“好，講下去！”漢武帝的一雙大眼興奮得閃閃發光。
“皇上，為了使曆法與季節相扣，微臣還建議將二十四節氣扣上。”
“那該如何做呢？”漢武帝追問。
司馬遷回道：“春、夏、秋、冬四季，應從立春、立夏、立秋、立冬開始，而春分、夏至、秋分、冬至應固定在二、五、八、十一月之中。”
“好。”漢武帝站了起來讚道，“愛卿還有什麽好的建議，繼續說下去！”
“閏月不在歲末置閏，應改為在有中氣的月份置閏。”
“這樣做有什麽好處嗎？”
“可以不必考慮多少年置多少閏了！”他接著說道，“皇上，臣下經過推算，發現元封七年（前104 年）十一月甲子日夜半正好是合朔、冬至，這是改曆法的千載難逢的大好時機，望皇上不要錯過。”
漢武帝聽了異常興奮，捋著黑長的胡須說：“你太聰明了，沒想到你一個史學家居然精通天文，朕讚同你的建議，不過改曆建元，這可是朝廷大事，明日早朝時讓大臣們議一議，朕再頒旨改曆。”
第二天早朝，漢武帝對眾人說：“昨天，太史令司馬遷建議改曆法，眾大臣可以提出意見，司馬遷你把你的建議向大家說說。”
司馬遷出列，然後說道：“微臣鑒於晦月見，弦望滿月現象增多，且月相與曆法不符，考慮到秦朝沿用下來的曆法應改變了，否則與四季不合，與農業生產不適應。建議以正月為歲首，並納入二十四節氣。”
大臣們聽了都非常讚同。
這時，太中大夫壺遂出列奏道：“皇上，太史令所言極是，老臣極為讚同，秦朝的顓頊曆已沿用百年，誤差太大，曆紀已壞廢，宜改正朔。”
太中大夫公孫卿也出列奏道：“啟稟皇上，臣也以為曆法早該改了，太史令的建議非常好。”
其他大臣們也都表示讚同，於是漢武帝宣布：“朕同意改正朔，製新曆，著太史令司馬遷主持改曆，太中大夫壺遂、公孫卿加入協助，並詔告全國郡守推舉天文、曆數學者參與改曆，宰相及各卿要多支持。”
眾大臣高呼：“皇上聖明。”
從此，司馬遷進入了緊張的改曆工作之中。編製曆法，是一項艱苦複雜的工作，需要細致地觀測天象、計算、核驗以及製造儀器等，由於人力不足，於是募選通曉天文曆法的治曆官鄧平、長樂司馬可、酒泉侯宜君以及民間治曆者方士唐都、巴郡落下閎等二十餘人加盟，重新議造曆法。
在專家中，曆數學家落下閎是主要的造曆者。落下閎是閬中人。
從小他就醉心於天象觀察，並且在家鄉小有名氣，後來經同鄉、太常令譙隆和太史令司馬遷推薦，從四川來到京城長安與當時的官家天文學家唐都、鄧平一起研製曆法。
在改曆過程中，他們經常發生激烈的爭論。民間天文學家落下閎與鄧平、唐都等二十多人以及官方的公孫卿、壺遂和司馬遷都各有方案，相持不下，最後形成了十八家不同的曆法。
經過一年的工作，漢武帝經過仔細對照比較，認為落下閎與鄧平的曆法優於其他17 家，就予采用。於元封七年（前104 年）頒行，並改元封七年為太初元年，因而新曆又稱為“太初曆”。
太初曆在行用後，受到包括司馬遷、張壽王等人的反對，張壽王甚至提議改回到殷曆。然而孰優孰劣，還要以實測為準。為此朝廷組織了一次為期三年的天文觀測，同時校驗太初曆和古六曆的數據，結果表明，太初曆更為符合天象。從此太初曆便站穩了腳跟，而且一直使用了187 年，也就是漢武帝太初元年（前104 年）至漢章帝元和元年（84 年）。
為了表彰落下閎的功績，漢武帝特授他以侍中之職，落下閎卻堅辭不受，而鄧平則被任命為太史丞。
太初曆的公布，標誌著漢王朝“受命改製”的完成。太初曆每年是365.3851539 日，一朔望月等於29.4381 日，一晝夜為子、醜、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥12 個時辰。這是我國曆法史上的一次重大改革，是第一部比較完整的曆法。
易服色和改正朔一樣，“易服色”即更易衣服、車馬的顏色，是新王朝應天承運而改製的重要內容，源於“五德終始說”。“五德終始說”是戰國時期齊國人鄒衍創立的。
鄒衍將“陰陽說”和“五行說”糅合在一起，借以說明天人感應和天道循環的理論。鄒衍宣稱，凡是人類的各項活動，都和陰陽五行相通，並互為影響，由此引起各種的變化。所說的“五行”，就是土、木、金、火、水五種物質，“五行相生相勝”。“相生”就是互相輔濟，如木生火，火生土，土生金，金生水，水生木；“相勝”就是互相克損，如水勝火，火勝金，金勝木，木勝土，土勝水。
“五德”就是五行的德性，即土德、木德、金德、火德、水德。五德不僅是相生相克的，並且還是終而複始循環的。人間的每個王朝，都必定是得到五德中的一德，並由上天顯示符應。這個王朝根據所得的五行之德的性質，製定本王朝的各種製度。
當一個王朝德衰之後，肯定被另一個克勝此德的新王朝取代。而新王朝興起的時候，上天也要顯示符應，某個君主認識到符應的含義，便要依據本王朝所受的五行之德的性質進行改製，是為“順天承運”，成為受天命者。
鄒衍的“五德終始說”深受各國統治者的推崇。秦始皇根據鄒衍的學說，確認秦為“水德”。所以，依照水德之性進行改製。如改正朔，以建亥之月為歲首；顏色尚黑、衣服、旌旗均用黑色；與水德相應的數是六，所以符傳長度、法冠高度各為6 寸，車軌寬6 尺；水德主陰，陰主刑殺，因而尚法嚴刑。
漢高祖劉邦出身於下層平民，不懂五德終始之說，加之匆忙建國，來不及製定新製，所以認為也是獲水之德。承襲秦製，色尚黑。漢文帝時，漢建國已二十餘年，新王朝的統治日益鞏固。隨著政治、經濟、文化的發展，秦朝的舊製已經不適應新形勢的需要。
漢文帝前元年（前179 年），太中大夫賈誼向漢文帝上奏道：“請改正朔、易服色、定官名、興禮樂、以立漢製，更秦法。”
十餘年後，魯人方士公孫臣根據五德循環的理論，上書漢文帝說：“漢朝獲得的是土德，應該改用新的元年，根據土德改正朔，易服色。漢獲土德，上天一定會示以符瑞，這種符瑞當是黃龍出現。”
漢文帝將這事交給丞相張蒼辦理。張蒼精通樂律和曆法，認為公孫臣是胡言亂語，不加理睬。
漢文帝十五年（前165 年），黃龍果然在成紀縣出現，張蒼因為失誤而辭職。漢文帝任命公孫臣為博士，並任命他與其他一些飽學之士論證漢得土德的觀點，主持草擬改正朔、易服色的方案。這時漢文帝正寵信方士新垣平，新垣平也積極主張改正朔、易服色、巡狩、封禪等事。
但是沒多久，新垣平因其騙術暴露而被殺。從此，漢文帝對改正朔、易服色之事再不感興趣。漢文帝雖然沒有實行改正朔、易服色等改製之事，但卻為漢武帝的改製奠定了思想和輿論的基礎。
漢武帝在“改正朔”的同時，根據“五德終始說”，采納了公孫臣的論斷，認為漢獲土德而受命。秦為水德，漢以土德克水德而代秦，乃是“應天承運”。這樣就為漢代秦、改易秦製找到了理論根據。
漢既為土德，土黃色，所以易秦尚黑之色而尚黃，衣服、旌旗、車馬均以黃色為最尊，這就是“易服色”。與土德相應的數是五，因此“數用五”，如官吏的印章刻文都用5 個字，丞相之印文為“丞相之印章”，諸卿及郡守、相印文不足5 字者，以“之”字補足。
漢武帝在改正朔、易服色之外，還定官名、協音律、定宗廟百官之儀等，作為國家的定製，永垂後世。置年號也是漢武帝時期的一個重大舉措。自古帝王未有年號，凡記年皆以元、二、三……記數。如周平王元年、周平王二年、周平王五十一年，秦王政元年、秦王政二年……秦始皇帝二十六年、秦始皇帝二十七年，等等。
每個新帝王嗣統，要重新紀年，從元年開始，故稱為“改元”。每個帝王的紀年，一貫到底，中間不改元。漢文帝受方士新垣平的迷惑，中間改元一次，稱前元、後元，開帝王紀年改元的先河。漢景帝改元三次，史家稱其紀年為前元、中元、後元作為區別。漢武帝即位以後，因襲父、祖紀年的方式，仍以元年、二年、三年……為數。
到了漢武帝第二十七年時（前114 年），主管紀年的官員向漢武帝建議道：“紀年應該根據上天賜降的祥瑞現象來命名年號。不應當以一、二、三累數計算。”
天子受命於天，在漢武帝統禦天下之年，天不斷降祥瑞，是對天子政績的肯定。以祥瑞命名年號，正是“天人感應”的表現。漢武帝認為非常在理，欣然采納了這一建議。
因為在漢武帝二十五年時（前116 年），汾陰出土了一個大銅鼎——鼎是王權的象征。漢武帝認為這是天降祥瑞，所以就將出鼎之年定為元鼎元年，漢武帝第二十七年則為元鼎三年（前114 年）。由後向前追，將即位以來的紀年，分別命以年號。因為自古以來帝王沒有年號，初建年號，所以第一個年號曰“建”。
建元共6 年（前140―前135 年）。建元六年（前135 年），長星見於東方，光長竟天。所以第二年改元，二元曰“光”。元光共6 年（前134―前129 年）。
當時漢承秦製，從水德，水德之數為六，六數滿則周而複始，因沒有明顯的“祥瑞”，因此三元曰“朔”。
朔者，始也，言更為初始。元朔共6 年（前128―前123 年）。次年（前122 年）冬十月，漢武帝巡幸雍，祭祀五帝，獲得了一隻獨角獸，有人附會為“白麟”。麟為神獸，它的出現被視為天降祥瑞，所以此年改元，四元曰“狩”。
元狩共6 年（前122―前117 年）。五元則曰“鼎”，元鼎共6 年（前116―前111 年）。次年（前110 年）夏四月，漢武帝始登封泰山，所以此年改元，六元曰“封”。
元封共6 年（前110―前105 年）。次年（前104 年）夏五月，漢武帝改正朔，初用夏正，並以正月為歲首，所以此年為改元，七元就曰“太初”。
太初共4 年（前104―前101 年）。次年（前100 年）第八次改元曰“天漢”。時連年大旱。《詩經·大雅》有《雲漢》一詩，讚美周宣王遇旱災修德勤政而能致雨。所以改年號為“天漢”，以祈求甘雨。天漢共4 年（前100―前97 年）。
次年（前96 年）第九次改元，曰“太始”。言**滌天下，與民更始。
太始共4 年（前96―前93 年）。
次年（前92 年）第十次改元，曰“征和”。言征伐四夷而天下和平。
征和共4 年（前92―前89 年）。
次年（前88 年）第十一次改元，曰“後”。後元共2 年（前88―前87年）。後元二年二月，漢武帝死。漢武帝始創年號，為以後曆代皇帝所效法。