作品
出狱后，司马迁改任中书令，发愤撰写史书，亦欲“究天人之际，通古今之变，成一家之言”，完成了中国第一部纪传体通史——《史记》。《史记》最初没有书名，司马迁将书稿给东方朔看过，东方朔佩服不已，将其命名为《太史公书》，后世称《太史公书》为《史记》。
“史记”原本乃各国史书的通称，司马迁的著述也正是参考战国时期各国史记所作。但后来因为《太史公书》的影响，大约在东汉时期，就已经成为此书专名。司马迁完成《史记》后，知道该书不被当世所容，故预先将副本存之名山，流传后世。
《史记》对后世史学和文学的发展都产生了深远影响。郑樵称：“六经之后，唯有此作”。鲁迅称誉《史记》为“史家之绝唱，无韵之离骚”。赵翼《廿二史札记》说：“司马迁参酌古今， 发凡起例，创为全史，本纪以序帝王， 世家以记侯国，十表以系时事，八书以详制度，列传以志人物，然后一代君臣政事贤否得失，总汇于一编之中。自此例一定，历代作史者，遂不能出其范围，信史家之极则也。”
货殖思想
司马迁《货殖列传》的开篇，即引用老子的至治理想，而且全篇自始至终都被道家“顺应自然”、“无为而治”的自然主义思想所笼罩。
开篇所引《老子》曰：“至治之极，邻国相望，鸡狗之声相闻，民各甘其食，美其服，安其俗，乐其业，至老死不相往来。”接着是司马迁自己的话：“必用此为务，挽近世涂民耳目，则几无行矣。”这段引文省去了《老子道德经》原文中“小国寡人，使有什佰之器而不用，使人重死而不远徙。虽有舟舆，无所乘之；虽有甲兵，无所陈之。使民复结绳而用之”几句，并补入了“至治之极”四个字，由此可见司马迁对《老子》这段话的重视，而紧接着引文而来的就是司马迁自己的观点——“必用此为务”。
在这里，司马迁表面上是引用老子的话，实际上是借老子之口说出了被他改造过和发展了的至治理想。他保留了道法自然的内核，有意识地剔除了反映原始社会“小国寡人”和奴隶社会“使民”如何的思想，体现了深得道家精髓的“与时迁移”思想(《史记太史公自序》)。
司马迁的这种至治理想，其核心是天道自然，要旨是人民的足欲。司马迁的至治理想堪与孔子“天下为公，选贤与能，讲信修睦”(《礼记·礼运》)的大同理想相并论，区别在于后者重秩序安排，而前者重自然演进。王充在《论衡命禄》中引用“太史公曰”，进一步概括了司马迁的“天道自然观”思想。太史公曰：“富贵不违贫贱，贫贱不违富贵。”“夫富贵不欲为贫贱，贫贱自至；贫贱不求为富贵，富贵自得也。春夏囚死，秋冬王相，非能为之也；日朝出而暮入，非求之也，天道自然。”
天文成就
在两汉时期的星象家中，首先要提出司马迁。大家都知道司马迁是一个伟大的史学家，而不知他也是一位对天文星象精到造诣的专家。其实只要仔细读其《史记》的《天官书》、《律书》、《历书》，就可明白称他为天文星家专家决非虚誉。
像司马迁这样博大精深的文学大师，绝对不会自划范围，限制自己的知识体系和探索领域。古代的史官本来以星历之事为其本职之一，故精通星象之学也不足为奇。不过司马迁能用史学家的高赡远瞩的眼光，把星象学与历史问题结合起来以究天人之际通古今之变，这可是其他星象家和史学家皆望尘莫及的高明之处。司马迁并没用星象学去占测具体的人事变异，而是用来总结历史规律，这不能不说是他对星系学的创造性应用。
司马迁继承父亲遗志遗业，完成《史记》及“推古天变”之任务，并明确表述为“通古今之变，究天人之际”，其结论表述在《天官书》中，即据春秋242年之间日食三十六、彗星三见等星象，联系点天子衰微、诸候力政、五伯代兴及到战国及秦汉之际的社会变乱动荡，而总结出天运三十年一小变，一百年一中变，五百年一大变，三大变为一纪，三纪而大备的“大数”，最后才认为“天人之际续备”。这是司马迁天文学之应用的最重要之范例，在整个星学历史上占有最高地位。
此外，司马迁又总结了战国以来的天文学的基本原则，表述如下（亦记载于《天官书》中）：“我仔细检查史书的记裁，考察历史上的事变，发现在100年之中，五星皆有逆行现象。五星在逆行时，往往变得特别明亮。日月的蚀食及其向南向北的运行，都有一定的速度和周期，这是星象学所要依据的最基本的数据。而星空中的紫宫星垣和东西南北四宫星宿及其所属的众多星辰，都是位置不变的，它们的大小程度和相互向的距离也是一定不变的，它们的分布排列象征着天上五官的位置。这是星象学中作为‘经’亦即不变的依据。而水、火、金、木、土星则是上天的五位辅住，它们的出现隐伏也有一定的时间和周期，但其运行速度快慢不均。这是天文学中的‘纬’亦即经紫变动的部分。把这些固定的和变动的两种星象结合起来，就可以预测人事的变化了。”