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”。