对当时流行的天命决定个人吉凶祸福的看法，他提出疑问。在《伯夷列传》，他以伯夷叔齐为例，反问：“或曰‘天道无亲，常与善人。’若伯夷、叔齐，可谓善人者非邪？积仁絜行如此而饿死！……天之报施善人，其何如哉？”他进一步指出善恶与祸福关系的颠倒，是古往今来人们习见的普遍现象：“若至近世，操行不轨，专犯忌讳，而终身逸乐，富厚累世不绝。或择地而蹈之，时然后出言，行不由径，非公正不发愤，而遇祸灾者，不可胜数也。”他继续追问，既然如此，“余甚惑焉，倘所谓天道，是邪，非邪？”对这个诘难，天命论者是无言以对的。
对于以阴阳五行学说为核心的天人感应理论，他经常进行理论上的批驳。他评论阴阳学说的创始者邹衍，本来就“其语闳大不经”[25]，其说被方士利用后，更是“怪迂阿谀苟合之徒自此兴，不可胜数也”[26]，把五行灾异学说的虚妄性质揭露得很透彻。当时许多学者将社会变故与书传所载灾异相比附，他却明白指出：“其占验凌杂米盐。”[27]对于以占星望气预卜吉凶的学说，他直接予以否定：“星气之书，多杂禨祥，不经”[28]，不可相信。
在《封禅书》中，他对方士们神仙方术的荒诞无稽和秦始皇、汉武帝执迷于其中的愚蠢，作了辛辣的讽刺与嘲笑。他用很大篇幅写汉武帝网罗了许多神仙方术之士，指望他们使自己成仙得道，虽然不断发现方士们的骗局，一次一次地失望，却执迷不悟，“冀遇其真”，因而访仙求道、修建神祠的事越来越多。司马迁用一句话，“然其效可睹矣”，点破了武帝的这种痴心妄想是多么荒诞可笑。在篇末他点明著此篇的旨趣在于：“于是退而论次自古以来用事于鬼神者，具见其表里。后有君子，得以览焉。”说明他洞悉这些活动的真相，而有意给后人提供一份活生生的教材。