汉武帝愤怒异常，唯有壶关三老令孤茂敢上书汉武帝为刘据申冤。
刘据向东逃到湖县（今河南灵宝西）隐藏在泉鸠里，主人家境贫寒，经常织卖草鞋来奉养刘据。
刘据有一位以前相识的人住在湖县，听说很富有，太子派人去叫他，于是消息泄露。
八月辛亥（初八），地方官围捕刘据；刘据知道自己难以逃脱，便回到屋中自缢而死；主人与搜捕太子的人格斗而死，二位皇孙也一同遇害。
刘据有三子一女，全部因巫蛊之乱而遇害，刘据之子、史皇孙刘进有一子刘病已幸存，尚在襁褓中后改名刘询，便是历史上着名的汉宣帝。
巫蛊事件使大汉王朝陷入泥淖中不能自拔，官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发；经过调查发现多为不实。
汉武帝这时候似乎有所清醒，颇知太子刘据只是惶恐不安并无谋反的意图。
后来高寝郎田千秋讼刘据冤曰：“子弄父兵，罪当笞；天子之子过误杀人，当何罢哉！臣尝梦见一白头翁教臣言。”
于是汉武帝霍然醒悟，立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。
曾对刘据兵刃相加的人也陆续被杀。汉武帝怜刘据无辜，就派人在湖县修建了一座宫殿，叫作“思子宫”，又造了一座高台，叫作“归来望思之台”，借以寄托他对刘据和那两个孙子的思念，天下闻而悲之。
汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸造成父子相残、太子刘据自杀；种种打击使他心灰意冷，对自己过去的所作所为颇有悔意。
后来汉武帝在登泰山、祀明堂之后，下《轮台罪己诏》说：“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”以表示承认自己的错误。天下也因此又逐渐归于和谐，为昭宣中兴的盛世奠定了基础。
后元元年（前88年），汉武帝叫画工画了一张“周公背成王朝诸侯图”送接受汉武帝托孤的霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。
在这段时间里，汉武帝为了防止钩弋夫人重演吕后称制的局面；找借口处死了她。
后元二年（前87年）二月，汉武帝于弥留之际立刘弗陵为太子；四天后的丁卯日，汉武帝驾崩于五柞宫。享年七十岁。
三月甲申葬于茂陵（今陕西兴平县东北）。霍光正式接受汉武帝遗诏，成为汉昭帝刘弗陵的辅命大臣，与车骑将军金日磾、左将军上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同辅佐朝政。
汉武帝太子刘据的悲剧，竟然跟赵光义的太子赵元佐如此的契合；赵元佐尽管不是因为“巫蛊之术”而被废立，他只是同情自己叔叔赵廷美。
现在赵廷美死了，赵元佐废了；继任者赵元佑也死了，赵光义竟然跟汉武帝一样思议起赵元佐的好处来……
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