作品
出獄後，司馬遷改任中書令，發憤撰寫史書，亦欲“究天人之際，通古今之變，成一家之言”，完成了中國第一部紀傳體通史——《史記》。《史記》最初沒有書名，司馬遷將書稿給東方朔看過，東方朔佩服不已，將其命名為《太史公書》，後世稱《太史公書》為《史記》。
“史記”原本乃各國史書的通稱，司馬遷的著述也正是參考戰國時期各國史記所作。但後來因為《太史公書》的影響，大約在東漢時期，就已經成為此書專名。司馬遷完成《史記》後，知道該書不被當世所容，故預先將副本存之名山，流傳後世。
《史記》對後世史學和文學的發展都產生了深遠影響。鄭樵稱：“六經之後，唯有此作”。魯迅稱譽《史記》為“史家之絕唱，無韻之離騷”。趙翼《廿二史劄記》說：“司馬遷參酌古今， 發凡起例，創為全史，本紀以序帝王， 世家以記侯國，十表以係時事，八書以詳製度，列傳以誌人物，然後一代君臣政事賢否得失，總匯於一編之中。自此例一定，曆代作史者，遂不能出其範圍，信史家之極則也。”
貨殖思想
司馬遷《貨殖列傳》的開篇，即引用老子的至治理想，而且全篇自始至終都被道家“順應自然”、“無為而治”的自然主義思想所籠罩。
開篇所引《老子》曰：“至治之極，鄰國相望，雞狗之聲相聞，民各甘其食，美其服，安其俗，樂其業，至老死不相往來。”接著是司馬遷自己的話：“必用此為務，挽近世塗民耳目，則幾無行矣。”這段引文省去了《老子道德經》原文中“小國寡人，使有什佰之器而不用，使人重死而不遠徙。雖有舟輿，無所乘之；雖有甲兵，無所陳之。使民複結繩而用之”幾句，並補入了“至治之極”四個字，由此可見司馬遷對《老子》這段話的重視，而緊接著引文而來的就是司馬遷自己的觀點——“必用此為務”。
在這裏，司馬遷表麵上是引用老子的話，實際上是借老子之口說出了被他改造過和發展了的至治理想。他保留了道法自然的內核，有意識地剔除了反映原始社會“小國寡人”和奴隸社會“使民”如何的思想，體現了深得道家精髓的“與時遷移”思想(《史記太史公自序》)。
司馬遷的這種至治理想，其核心是天道自然，要旨是人民的足欲。司馬遷的至治理想堪與孔子“天下為公，選賢與能，講信修睦”(《禮記·禮運》)的大同理想相並論，區別在於後者重秩序安排，而前者重自然演進。王充在《論衡命祿》中引用“太史公曰”，進一步概括了司馬遷的“天道自然觀”思想。太史公曰：“富貴不違貧賤，貧賤不違富貴。”“夫富貴不欲為貧賤，貧賤自至；貧賤不求為富貴，富貴自得也。春夏囚死，秋冬王相，非能為之也；日朝出而暮入，非求之也，天道自然。”
天文成就
在兩漢時期的星象家中，首先要提出司馬遷。大家都知道司馬遷是一個偉大的史學家，而不知他也是一位對天文星象精到造詣的專家。其實隻要仔細讀其《史記》的《天官書》、《律書》、《曆書》，就可明白稱他為天文星家專家決非虛譽。
像司馬遷這樣博大精深的文學大師，絕對不會自劃範圍，限製自己的知識體係和探索領域。古代的史官本來以星曆之事為其本職之一，故精通星象之學也不足為奇。不過司馬遷能用史學家的高贍遠矚的眼光，把星象學與曆史問題結合起來以究天人之際通古今之變，這可是其他星象家和史學家皆望塵莫及的高明之處。司馬遷並沒用星象學去占測具體的人事變異，而是用來總結曆史規律，這不能不說是他對星係學的創造性應用。
司馬遷繼承父親遺誌遺業，完成《史記》及“推古天變”之任務，並明確表述為“通古今之變，究天人之際”，其結論表述在《天官書》中，即據春秋242年之間日食三十六、彗星三見等星象，聯係點天子衰微、諸候力政、五伯代興及到戰國及秦漢之際的社會變亂動蕩，而總結出天運三十年一小變，一百年一中變，五百年一大變，三大變為一紀，三紀而大備的“大數”，最後才認為“天人之際續備”。這是司馬遷天文學之應用的最重要之範例，在整個星學曆史上占有最高地位。
此外，司馬遷又總結了戰國以來的天文學的基本原則，表述如下（亦記載於《天官書》中）：“我仔細檢查史書的記裁，考察曆史上的事變，發現在100年之中，五星皆有逆行現象。五星在逆行時，往往變得特別明亮。日月的蝕食及其向南向北的運行，都有一定的速度和周期，這是星象學所要依據的最基本的數據。而星空中的紫宮星垣和東西南北四宮星宿及其所屬的眾多星辰，都是位置不變的，它們的大小程度和相互向的距離也是一定不變的，它們的分布排列象征著天上五官的位置。這是星象學中作為‘經’亦即不變的依據。而水、火、金、木、土星則是上天的五位輔住，它們的出現隱伏也有一定的時間和周期，但其運行速度快慢不均。這是天文學中的‘緯’亦即經紫變動的部分。把這些固定的和變動的兩種星象結合起來，就可以預測人事的變化了。”