郎中，又奉使到過四川、雲南一帶。以後因侍從武帝巡狩封禪而遊歷了更多的地方。他的幾次漫遊，足跡幾乎遍及全國各地。漫遊開拓了他的胸襟和眼界，使他接觸到各個階層各種人物的生活，並且蒐集到許多歷史人物的資料和傳說。這一切，對他後來寫作《史記》起了很大作用。
漢武帝元封元年（前１１０），司馬談去世。臨終前，把著述歷史的未竟之業作為一項遺願囑託給司馬遷。元封三年（前１０８），司馬遷繼任太史令。此後，他孜孜不倦地閱讀國家藏書，研究各種史料，潛心於著史，並參與了《太初曆》的制定工作。
就在這過程中，發生了一場巨大的災難。天漢二年（前９９），李陵抗擊匈奴，力戰之後，兵敗投降。訊息傳來，武帝大為震怒，朝臣也紛紛附隨斥罵李陵。司馬遷憤怒於安享富貴的朝臣對冒死涉險的將領如此毫無同情心，便陳說李陵投降乃出於無奈，以後必將伺機報答漢朝。李陵兵敗，實由武帝任用無能的外戚李廣利為主帥所致，司馬遷的辯護，也就觸怒了武帝。他因此受到“腐刑”的懲罰。對於司馬遷來說，這是人生的奇恥大辱，遠比死刑更為痛苦。在這一場事件中，他對專制君主無可理喻的權力、對人生在根本上為外力所壓迫的處境，有了新的認識。他一度想到自殺，但他不願寶貴的生命在毫無價值的情況下結束，於是“隱忍苟活”，在著述歷史中求得生命的最高實現。這也正是一位學者對君主的淫威和殘酷的命運所能採取的反抗形式。終於在太始四年（前寫於這一年的《報任安書》中，司馬遷對於自己的際遇和心情作了一個完整的交待，此後其事蹟不清，大概卒於武帝末年。
《史記》原名《太史公書》，東漢末始稱《史記》。它是古代第一部由個人獨力完成的具有完整體系的著作①。總共一百三十卷，五十二萬餘字，又是到那時為止規模最大的一部著作。全書由本紀、表、書、世家、列傳五種體例構成。“本紀”是用編年方式敘述歷代君主或實際統治者的政跡，是全書的大綱；“表”是用表格形式分項列出各歷史時期的大事，是全書敘事的補充和聯絡；“書”是天文、曆法、水利、經濟等各類專門事項的記載；“世家”是世襲家族以及孔子、陳勝等歷代祭祀不絕的人物的傳記；“列傳”為本紀、世家以外各種人物的傳記，還有一部分記載了中國邊緣地帶各民族的歷史。《史記》透過這五種不同體例相互配合、相互補充，構成了完整的歷史體系。
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①《史記》以前，歷史著作都帶有資料彙編和整理的性質，作者大都不明，難以說是由某個個人獨力完成的：諸子書實際也是各個學派文獻的彙編，並非由學派的開創者單獨完成，而且其中的文章大多是獨立成篇的。
這種著作體裁又簡稱為“紀傳體”，以後稍加變更，成為歷代正史的通用體裁。
《史記》紀事，其時間上起當時人視為歷史開端的黃帝，下迄司馬遷寫作本書的漢武帝太初年間（前１０４—前１０空間包括整個漢王朝版圖及其四周作者能夠了解的所有地域。它不僅是我國古代三千年間政治、經濟、文化等各方面歷史的總結，也是司馬遷意識中通貫古往今來的人類史、世界史。在這個無比宏大的結構中，包涵著從根本上、整體上探究和把握人類生存方式的意圖。如司馬遷本人在《報任安書》中所言，他的目標是“究天人之際，通古今之變，成一家之言”。所以，不能夠把《史記》看成是單純的史實記錄，它在史學上、文學上以及哲學上，都具有極高的成就。
《史記》被列為中國第一部“正史”。自此以後，歷代“正史”的修撰從未斷絕，匯成一條文字記載的歷史長河，堪稱世界史學史上的奇蹟。但是，《史記》的情況同後代正史又有很大不同。《史記》以後的歷代正史，除極個別例外，都是由朝廷主持、按照君主的意志修撰的，是名副其實的官史。而司馬遷雖然是朝廷的史官，《史記》卻並不體現最高統治者漢武帝的意志。據說武帝讀《史記》後，對其中幾篇感到憤怒，下令加以刪削，這也是有可能的（今傳《史記》中一部分是後人補綴的）。那麼，司馬遷究竟是站在什麼樣的立場上寫作《史記》的？這也是理解《史記》的關鍵之一。
我們需要注意到，在從秦始皇到漢武帝確立君主個人絕對權威前，君主的權力，在一定程度上受到整個貴族集團的制約。在這種背景下，史官不僅享有較高的地位，而且有“秉筆直書”的義務和權利。司馬遷的祖上世代為史官，他雖然意識到在自己的時代，史官已經跌落到“主上所戲弄，倡優蓄之”的地位，但他有意識地