就在司马迁的写作计划顺利进行的时候，公元前99年（武帝天汉二年），一场意想不到的灾难降临在他的身上。这一年，李广的孙子李陵率五千步兵出征匈奴，与匈奴主力相遇，连战十多天，在矢尽道穷、救兵不至的情况下，失败投降。消息传入汉廷后，武帝大为恼火，一批朝臣乘机落井下石，而司马迁一方面安慰武帝，另一方面为李陵辩护。结果激怒武帝，被以“诬上”之罪处以宫刑。宫刑是所有刑罚中最为耻辱的一种，司与迁本想以死捍卫做人的尊严，但想到父亲的遗训；想到屈原、在丘明、孙子忍辱负重，成就大业；想到“人固有一死，或重于泰山，或轻于鸿毛”。决心忍辱含垢，发愤“究天人之际，通古今之变，成一家之言”。经过近八年的努力，公元前91年（武帝征和二年），55岁的司马迁终于完成了《史记》这一巨著。
《史记》记事起于传说中的黄帝，下至汉武帝，纵贯三千年，全书共一百三十篇，包括十二本纪、十表、八书、三十世家、七十列传。“本纪”是全书的纲领，是帝王的传记，按年月记述帝王的言行政绩，兼录各方面的重大事件，其中先秦按朝代成篇，秦、汉按帝王成篇。“表”是以表格形式谱列世系、事件和人物，用以标明各主要历史事件的时间位置，以清脉络。“书”是记载典章制度，叙述各种制度的沿革，涉及礼乐、经济、天文、地理等方面。“世家”是记载王侯封国、开国功臣和有着特殊影响的人物的传记。“列传”主要是社会各阶层代表人物的传记，少数篇章为中国少数民族以及与中国往来的一些国家和地区的历史记录。世家和列传都是以事系人。本纪和列传是全书的主体，与表、书、世家相辅相成，融为一体。
《史记》叙事，实事求是，有条有理；写人，丰富翔实，栩栩如生；评论，语言清新，画龙点睛。其虽“涉猎广博，贯穿经传，驰骋古今，上下数千年间”，仍是做到“其文直，其事核。不虚美，不隐恶”，被后人誉之为“无韵之离骚，史家之绝唱。”
在司马迁之前，出现过诸如编年体、国别体等多种体裁的历史著作，但就记事之久远、内容之广泛、史实之翔实、材料之系统、体系之完善来说，都不如《史记》。在中国史学发展史上，堪称是第一部规模宏大、体制完备的中国通史。由其开端的纪传体，影响深远。
在司马迁《史记》之后，对纪传体加以完善、整齐，为后代正史所遵循的是班固的《汉书》。
班固，字孟坚，扶风安陵（今陕西咸阳东北）人。班固天资聪颖，九岁能文和诗赋，十五岁即入洛阳太学，得以博览群书，穷究百家之言。公元54年（光武建武三十年），班固父亲班彪逝去，23岁的班固回乡为父治丧。班彪生平好述作，专心于史籍。因司马迁的《史记》只写到武帝初年，所以当时就有好多人为《史记》作续篇，班彪都觉得不满意，于是博采遗事异闻，作成《史记》后传六十五篇。班固安葬了父亲后，就有志完成父业。不久，有人上书明帝，告班固私修国史。班固因此被捕，所有的书稿都被抄送京师。但明帝看了书稿后，觉得班固才能卓异，加上班固的弟弟班超也为哥哥上书辩诬，明帝便把班固叫到京师，命他到国家藏书的兰台作兰台令史，随后又迁升为郎、典校秘书。同时又命班固把那部没完成的史书继续做下去。从此一连写了二十多年。
公元89年（和帝永元元年），窦宪远征匈奴，因班固与其有世交之谊，便任班固为中护军随行，参与谋议。窦宪此次出征，大功而还，使本是外戚，身为大将军的窦宪威势更是炙手。班固当然也是权势日升，连家奴都能侮辱洛阳令。不久，窦宪失势自杀，班固也被株连入狱，死于狱中。
班固死时，《汉书》还有八表和天文志没有完成。由其妹班昭补作八表，跟班昭学《汉书》的马续写成天文志。所以后人有人说汉书是经过四人之手（即班彪、班固、班昭、马续），阅三四十年才完成的。
班固的《汉书》是由十二纪、八表、十志、七十列传组成，记述了西汉一代的历史，是一部断代史。
《汉书》虽沿袭了《史记》的体例，但同时，把“本纪”省称为“纪”；把“书”改称为“志”；不用“世家”，将其并入“列传”，从而使纪传体的体例逐于整齐合理。
《汉书》记事喜欢直接引用当时的原始文献，叙事严谨；而评论则是以儒家的立场去评论是非，缺乏司马迁的那种批判精神。
在文学上，散文、汉赋、乐府诗集中代表了秦汉时期的成就。
秦汉时期的散文以感情炽热、议论风发、说理深刻、文字优美的政治文最具特色，李斯的《谏逐客书》、贾谊的《过秦论》、晁错的《论贵粟疏》、桓宽的《盐铁论》都是脍炙后人的成功之作。
汉赋是汉代文学的主要形式，它是从楚辞和先秦散文发展而来的新兴文体。其特点是以华丽工整的词藻，铺张渲染的手法叙事舒情，“不歌而诵”。最能代表汉赋的风格和特点的是司马相如。司马相如的代表作是《子虚赋》和《上林赋》。两赋以雄伟的气势、铺陈华丽的词汇描绘了汉王朝疆域的辽阔，物产的丰饶，显示了大汉帝国繁荣昌盛的气势，读来令人震撼、陶醉，唐代大诗人李白在读了《子虚赋》后，就为其描述的云梦的自然景致所倾倒，以致后来竞隐居于古云梦。
汉代的乐府诗，是我国诗歌史上继《诗经》《楚辞》之后极有价值的遗产。乐府是汉的乐舞官置，负责采集民间诗歌加以加工配乐。乐府采集到的民歌，大都是“感于哀乐，缘事而发”，反映了广泛的社会生活，其中许多篇章有完整的故事性和强烈的浪漫主义色彩。《陌上桑》和《孔雀东南飞》是其中最负盛名的佳作，前者叙事明快、生动、活泼，充满喜剧色彩；而后者则以深沉的笔墨、浪漫主义的手法，为我国悲剧美学艺术奠定了基础。
在艺术上，秦汉时期，绘画艺术发达，雕塑石刻具有较高的艺术水平。
秦汉时期的绘画主要表现在壁画上。这一时期流行装饰性壁画，从保存到今天的壁画来看，秦汉时期的壁画题材广泛，有神话传说、历史故事，也有渔猎农事、宴会乐舞。这些壁画线条刚劲有力，色彩浓淡有致，主题突出，疏密有致，形态逼真。
秦汉的雕塑石刻艺术是和绘画是相辅而行的。这一时期的雕塑以秦兵马俑、霍去病墓前的石雕和四川的东汉说书俑为代表。这些雕刻都表现了造型生动、神态逼真的特点。这一时期的石刻主要以画像石、画像砖为代表。这些画像石、砖主要是以表现现实题材为主，在雕刻技法上，以阴线刻为主，还有剔地浅浮雕、高浮雕和凹雕等。简练质朴，粗犷中寓精致，形神兼备。
在科学技术上，秦汉时期取得了许多辉煌的成就。天文历法方面，从汉代起，我国就有了关于新星和太阳黑子的准确记录；武帝时司马迁与唐都等人改进的《太初历》是我国完整保存下来的第一部古历法；东汉时张衡创制了浑天仪、候风仪和地动仪，其中地动仪这一预测地震方位的仪器，比欧洲早一千七百多年。数学方面，西汉中期成书的我国第一部数学著作《周髀算经》，已使用勾股定理解决实际问题；而东汉初年问世的《九章算术》，则标志着我国古代完整的数学体系的形成，其中联立一次方程解法，比欧洲早一千五百多年。在医学方面，张仲景的《伤寒杂病论》奠定了传统中医学的基础；华佗的通过全身麻醉的腹部外科手术，在当时的世界上处于遥遥领先的地位；东汉末年的《神农本草经》是我国最早的一部较完善的药物学著作。农学方面，成帝时氾胜之所著的《汜胜之书》是我国历史上第一部农学著作。化学方面，东汉时魏伯阳根据自己的炼丹经验，写成《周易参同契》一书，是世界上最早系统地论述炼丹的著作。
秦汉时期科学技术最具意义的是造纸术的发明和改进。在造纸术没有发明以前，人类用甲骨、木竹简和缣帛来记录文字。秦汉时期是简、帛并用，以简用绳联成册的书籍称为编，以缣帛曲卷成书，则称为卷。但简编笨重，帛卷价贵，都不能适应文化发展的需要，纸就是在这种情况下，逐渐被发明出来的。史籍中关于造纸最早的明确记载，是《后汉书》的《蔡伦传》，其中写道：“自古书契多编以竹简，其用缣帛者谓之为纸。缣贵而简重，并不便于人。（蔡）伦乃造意，用树肤、麻头及敝布、渔网以为纸。元兴元年奏上之，帝善其能，自是莫不从用焉，故天下咸称‘蔡侯纸’。”元兴是东汉和帝的年号，元兴元年是公元105年。但从考古中可看出，纸早在蔡伦以前就已有了，例如，1933年在新疆的罗布淖尔、1957年在西安的灞桥、1973—1974年在甘肃居延都发现过西汉的麻纸。只不过是这些纸质地粗糙，并且还没有大批量地生产。而蔡伦则是对原有的造纸术加以改进，使其技术完善，而且生产出来的纸，价格低廉。从而使纸张的应用得到普及和推广。到东晋时期，纸就完全代替了简帛，成为通常的书写材料。
