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。
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