西汉建立初始，因为天下初定，诸事草创，各类典章制度都来不及制定，所以袭用秦代的历法，也就是《颛顼历》。以亥月——也就是后来所说的阴历十月——为“正”。
从秦始皇当政至汉武帝元封（前110―前105 年）年间，历经一百余年，误差积累已很明显，出现朔晦月见等实际月象超前历谱的现象。
历法的错乱，不仅不利于民众的生产、生活，而且有损代行天道的天子的威望。所以，要求改正朔的呼声愈来愈高。
于是，在元封七年（前104 年），太中大夫公孙卿、壶遂和太史令司马迁上书汉武帝：“现行的历法纪年都已坏废，与实际的天道运行不符，应当更改正朔。”
汉武帝自然对这件事情很是看重。于是，召见了他们。
“皇上，历法必须改了，颛顼历本来与实际月份就有误差，现在从秦始皇到如今已百余年，如不更改，差距只会越来越大，这样对农业生产也不利。”
提到农业生产，有雄才大略的汉武帝马上严肃起来，便问：“朕问你，颛顼历为何误差大？”
“回皇上，因为秦始皇时候的颛顼历是以十月为岁首，这与春夏秋冬不太相符，微臣以为应以正月为岁首，这样与季节才相符合，与季节相符的历法方适用于农业。皇上不是要大力发展农桑吗？那就必须有正确的历法。”
“好，讲下去！”汉武帝的一双大眼兴奋得闪闪发光。
“皇上，为了使历法与季节相扣，微臣还建议将二十四节气扣上。”
“那该如何做呢？”汉武帝追问。
司马迁回道：“春、夏、秋、冬四季，应从立春、立夏、立秋、立冬开始，而春分、夏至、秋分、冬至应固定在二、五、八、十一月之中。”
“好。”汉武帝站了起来赞道，“爱卿还有什么好的建议，继续说下去！”
“闰月不在岁末置闰，应改为在有中气的月份置闰。”
“这样做有什么好处吗？”
“可以不必考虑多少年置多少闰了！”他接着说道，“皇上，臣下经过推算，发现元封七年（前104 年）十一月甲子日夜半正好是合朔、冬至，这是改历法的千载难逢的大好时机，望皇上不要错过。”
汉武帝听了异常兴奋，捋着黑长的胡须说：“你太聪明了，没想到你一个史学家居然精通天文，朕赞同你的建议，不过改历建元，这可是朝廷大事，明日早朝时让大臣们议一议，朕再颁旨改历。”
第二天早朝，汉武帝对众人说：“昨天，太史令司马迁建议改历法，众大臣可以提出意见，司马迁你把你的建议向大家说说。”
司马迁出列，然后说道：“微臣鉴于晦月见，弦望满月现象增多，且月相与历法不符，考虑到秦朝沿用下来的历法应改变了，否则与四季不合，与农业生产不适应。建议以正月为岁首，并纳入二十四节气。”
大臣们听了都非常赞同。
这时，太中大夫壶遂出列奏道：“皇上，太史令所言极是，老臣极为赞同，秦朝的颛顼历已沿用百年，误差太大，历纪已坏废，宜改正朔。”
太中大夫公孙卿也出列奏道：“启禀皇上，臣也以为历法早该改了，太史令的建议非常好。”
其他大臣们也都表示赞同，于是汉武帝宣布：“朕同意改正朔，制新历，着太史令司马迁主持改历，太中大夫壶遂、公孙卿加入协助，并诏告全国郡守推举天文、历数学者参与改历，宰相及各卿要多支持。”
众大臣高呼：“皇上圣明。”
从此，司马迁进入了紧张的改历工作之中。编制历法，是一项艰苦复杂的工作，需要细致地观测天象、计算、核验以及制造仪器等，由于人力不足，于是募选通晓天文历法的治历官邓平、长乐司马可、酒泉侯宜君以及民间治历者方士唐都、巴郡落下闳等二十余人加盟，重新议造历法。
在专家中，历数学家落下闳是主要的造历者。落下闳是阆中人。
从小他就醉心于天象观察，并且在家乡小有名气，后来经同乡、太常令谯隆和太史令司马迁推荐，从四川来到京城长安与当时的官家天文学家唐都、邓平一起研制历法。
在改历过程中，他们经常发生激烈的争论。民间天文学家落下闳与邓平、唐都等二十多人以及官方的公孙卿、壶遂和司马迁都各有方案，相持不下，最后形成了十八家不同的历法。
经过一年的工作，汉武帝经过仔细对照比较，认为落下闳与邓平的历法优于其他17 家，就予采用。于元封七年（前104 年）颁行，并改元封七年为太初元年，因而新历又称为“太初历”。
太初历在行用后，受到包括司马迁、张寿王等人的反对，张寿王甚至提议改回到殷历。然而孰优孰劣，还要以实测为准。为此朝廷组织了一次为期三年的天文观测，同时校验太初历和古六历的数据，结果表明，太初历更为符合天象。从此太初历便站稳了脚跟，而且一直使用了187 年，也就是汉武帝太初元年（前104 年）至汉章帝元和元年（84 年）。
为了表彰落下闳的功绩，汉武帝特授他以侍中之职，落下闳却坚辞不受，而邓平则被任命为太史丞。
太初历的公布，标志着汉王朝“受命改制”的完成。太初历每年是365.3851539 日，一朔望月等于29.4381 日，一昼夜为子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥12 个时辰。这是我国历法史上的一次重大改革，是第一部比较完整的历法。
易服色和改正朔一样，“易服色”即更易衣服、车马的颜色，是新王朝应天承运而改制的重要内容，源于“五德终始说”。“五德终始说”是战国时期齐国人邹衍创立的。
邹衍将“阴阳说”和“五行说”糅合在一起，借以说明天人感应和天道循环的理论。邹衍宣称，凡是人类的各项活动，都和阴阳五行相通，并互为影响，由此引起各种的变化。所说的“五行”，就是土、木、金、火、水五种物质，“五行相生相胜”。“相生”就是互相辅济，如木生火，火生土，土生金，金生水，水生木；“相胜”就是互相克损，如水胜火，火胜金，金胜木，木胜土，土胜水。
“五德”就是五行的德性，即土德、木德、金德、火德、水德。五德不仅是相生相克的，并且还是终而复始循环的。人间的每个王朝，都必定是得到五德中的一德，并由上天显示符应。这个王朝根据所得的五行之德的性质，制定本王朝的各种制度。
当一个王朝德衰之后，肯定被另一个克胜此德的新王朝取代。而新王朝兴起的时候，上天也要显示符应，某个君主认识到符应的含义，便要依据本王朝所受的五行之德的性质进行改制，是为“顺天承运”，成为受天命者。
邹衍的“五德终始说”深受各国统治者的推崇。秦始皇根据邹衍的学说，确认秦为“水德”。所以，依照水德之性进行改制。如改正朔，以建亥之月为岁首；颜色尚黑、衣服、旌旗均用黑色；与水德相应的数是六，所以符传长度、法冠高度各为6 寸，车轨宽6 尺；水德主阴，阴主刑杀，因而尚法严刑。
汉高祖刘邦出身于下层平民，不懂五德终始之说，加之匆忙建国，来不及制定新制，所以认为也是获水之德。承袭秦制，色尚黑。汉文帝时，汉建国已二十余年，新王朝的统治日益巩固。随着政治、经济、文化的发展，秦朝的旧制已经不适应新形势的需要。
汉文帝前元年（前179 年），太中大夫贾谊向汉文帝上奏道：“请改正朔、易服色、定官名、兴礼乐、以立汉制，更秦法。”
十余年后，鲁人方士公孙臣根据五德循环的理论，上书汉文帝说：“汉朝获得的是土德，应该改用新的元年，根据土德改正朔，易服色。汉获土德，上天一定会示以符瑞，这种符瑞当是黄龙出现。”
汉文帝将这事交给丞相张苍办理。张苍精通乐律和历法，认为公孙臣是胡言乱语，不加理睬。
汉文帝十五年（前165 年），黄龙果然在成纪县出现，张苍因为失误而辞职。汉文帝任命公孙臣为博士，并任命他与其他一些饱学之士论证汉得土德的观点，主持草拟改正朔、易服色的方案。这时汉文帝正宠信方士新垣平，新垣平也积极主张改正朔、易服色、巡狩、封禅等事。
但是没多久，新垣平因其骗术暴露而被杀。从此，汉文帝对改正朔、易服色之事再不感兴趣。汉文帝虽然没有实行改正朔、易服色等改制之事，但却为汉武帝的改制奠定了思想和舆论的基础。
汉武帝在“改正朔”的同时，根据“五德终始说”，采纳了公孙臣的论断，认为汉获土德而受命。秦为水德，汉以土德克水德而代秦，乃是“应天承运”。这样就为汉代秦、改易秦制找到了理论根据。
汉既为土德，土黄色，所以易秦尚黑之色而尚黄，衣服、旌旗、车马均以黄色为最尊，这就是“易服色”。与土德相应的数是五，因此“数用五”，如官吏的印章刻文都用5 个字，丞相之印文为“丞相之印章”，诸卿及郡守、相印文不足5 字者，以“之”字补足。
汉武帝在改正朔、易服色之外，还定官名、协音律、定宗庙百官之仪等，作为国家的定制，永垂后世。置年号也是汉武帝时期的一个重大举措。自古帝王未有年号，凡记年皆以元、二、三……记数。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。
每个新帝王嗣统，要重新纪年，从元年开始，故称为“改元”。每个帝王的纪年，一贯到底，中间不改元。汉文帝受方士新垣平的迷惑，中间改元一次，称前元、后元，开帝王纪年改元的先河。汉景帝改元三次，史家称其纪年为前元、中元、后元作为区别。汉武帝即位以后，因袭父、祖纪年的方式，仍以元年、二年、三年……为数。
到了汉武帝第二十七年时（前114 年），主管纪年的官员向汉武帝建议道：“纪年应该根据上天赐降的祥瑞现象来命名年号。不应当以一、二、三累数计算。”
天子受命于天，在汉武帝统御天下之年，天不断降祥瑞，是对天子政绩的肯定。以祥瑞命名年号，正是“天人感应”的表现。汉武帝认为非常在理，欣然采纳了这一建议。
因为在汉武帝二十五年时（前116 年），汾阴出土了一个大铜鼎——鼎是王权的象征。汉武帝认为这是天降祥瑞，所以就将出鼎之年定为元鼎元年，汉武帝第二十七年则为元鼎三年（前114 年）。由后向前追，将即位以来的纪年，分别命以年号。因为自古以来帝王没有年号，初建年号，所以第一个年号曰“建”。
建元共6 年（前140―前135 年）。建元六年（前135 年），长星见于东方，光长竟天。所以第二年改元，二元曰“光”。元光共6 年（前134―前129 年）。
当时汉承秦制，从水德，水德之数为六，六数满则周而复始，因没有明显的“祥瑞”，因此三元曰“朔”。
朔者，始也，言更为初始。元朔共6 年（前128―前123 年）。次年（前122 年）冬十月，汉武帝巡幸雍，祭祀五帝，获得了一只独角兽，有人附会为“白麟”。麟为神兽，它的出现被视为天降祥瑞，所以此年改元，四元曰“狩”。
元狩共6 年（前122―前117 年）。五元则曰“鼎”，元鼎共6 年（前116―前111 年）。次年（前110 年）夏四月，汉武帝始登封泰山，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，汉武帝改正朔，初用夏正，并以正月为岁首，所以此年为改元，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“天汉”。时连年大旱。《诗经·大雅》有《云汉》一诗，赞美周宣王遇旱灾修德勤政而能致雨。所以改年号为“天汉”，以祈求甘雨。天汉共4 年（前100―前97 年）。
次年（前96 年）第九次改元，曰“太始”。言**涤天下，与民更始。
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“后”。后元共2 年（前88―前87年）。后元二年二月，汉武帝死。汉武帝始创年号，为以后历代皇帝所效法。