Những năm cuối đời, Hán Văn Đế dần trở nên mê tín, đi tìm những thuốc như trường sinh bất tử. Ông nghe theo lời của phù thủy Tân Viên Bình (新垣平), xây dựng một ngôi đền ở phía Bắc sông Vị (渭河) để phụng thờ các vị thần. Sau đó, ông còn ban thưởng vàng bạc cho Tân Viên Bình; nghe theo lời của Viên Bình, Văn Đế đã cho xây nhiều đền thờ khác trong khắp nước, làm tiêu hao nhiều công sức của dân chúng.

Năm 164 TCN, Tân Viên Bình sai thuộc hạ đặt một chiếc cốc ngọc ở ngoài cung điện, với nhiều ký tự kì bí; ngoài ra còn tiên đoán được việc mặt trời sẽ bị che lấp trong khoảng thời gian (hiện tượng này về sau được lý giải chính là nhật thực). Để đáp lại, Văn Đế đã công bố mở một lễ hội trong toàn Đại Hán, và bắt đầu tính lại thời kì trị vì của mình, mà theo đó các sử gia gọi là năm Hậu Nguyên (後元). Cuối năm đó, có người tố cáo Tân Viên Bình là phù thủy và những gì Viên Bình bày vẽ ra là lừa dối, Văn Đế tức giận và đã cho xử tử ông ta cùng những thân tín. Từ đó về sau Văn Đế không còn mê tín dị đoan nữa.

Năm 157 TCN, ngày 6 tháng 7, Hán Văn Đế qua đời, hưởng thọ 46 tuổi, ở ngôi được 23 năm. Ông được truy tôn miếu hiệu là Thái Tông (太宗), thụy hiệu Hiếu Văn hoàng đế (孝文皇帝).

Văn Đế mất, Thái tử Lưu Khải lên kế vị, tức là Hán Cảnh Đế.