事泄被赦，刘旦制造好舆论后，就招集各地亡命之徒，充当士卒，又收聚民间铜铁，制造兵器，并不时亲自出外阅操;又征调百姓设立围场，在文安县进行大规模的打猎，藉此来讲习军队事宜，专待起事之日的到来。此时的刘旦，俨然以未来皇帝自居，出入僭用天子仪仗，左右近臣皆称 侍中 。郎中 韩义等人多次谏阻，刘旦大怒，遂诛杀韩义等共十五人。
始元元年(公元前86年)八月，刘泽回到齐国都城 临淄，意图谋杀青州刺史 隽不疑，起兵与刘旦响应。事尚未行，被 刘成得知，向隽不疑告发。隽不疑乘其无备，分遣吏役将刘泽及其党羽捕拿下获，奏报朝廷。 汉昭帝诏有司追查此事，牵连至燕王，按律当诛。
昭帝念及骨肉恩情，就压下此案不予张扬，免除燕王之罪，而将 刘泽等人正法。再度叛乱，昭帝即位后，加封 霍光为大司马、大将军， 金日磾为车骑将军， 上官桀为左将军，与丞相 田千秋，御史大夫 桑弘羊等一起辅政，并下诏尊鄂邑公主为 长公主，入住皇宫，养护昭帝。
始元四年(公元前83年)，刘旦的姐姐 鄂邑长公主、左将军上官桀父子与霍光因争权而产生仇隙，他们知道刘旦怨恨霍光，就暗地里与燕国结交往来。刘旦也先后派遣十多批人，携带大批金银珠宝，贿赂盖长公主，以求他们支持自己夺取帝位。始元六年(公元前81年)，上官桀等人列述霍光过错，密谋刘旦上书昭帝告发霍光。刘旦得书后十分高兴，立即上疏昭帝，谎称“霍光擅自调动所属兵力，意欲谋反”，并提议入朝宿卫，以防奸臣变乱。奏章由上官桀递交上去，不料却被年仅十四岁的昭帝识破，昭帝也因此更加亲近霍光而疏远上官一派。
上官桀等人的阴谋被揭穿之后，准备发动武装政变。他们计划，由公主设宴邀请霍光，命埋伏的兵士将霍光杀掉，废除汉昭帝，迎立燕王刘旦为帝。刘旦得信后，立即安排专人往来传递情报，许诺上官桀事成后裂土封王，同时联络各地“豪杰”数千人。不久，公主来信，告诉刘旦，右将军 王莽已死，丞相有病，大业必成。刘旦见信大喜，分付群臣各自收拾行装，准备起程入宫为帝。
自绞谢罪，元凤元年(公元前80年)九月，鄂邑长公主门下的稻田使者 燕仓知道了上官桀等人的阴谋，向大司农 杨敞告发，杨敞转告了谏大夫 杜延年，于是昭帝、霍光掌握了上官桀等人的武装政变计划。遂在这一政变未发动之前，部署官员追捕 孙纵之以及上官桀等人。
刘旦得知左将军上官桀等已伏诛、反情败露后，与燕国丞相商议是否发兵起事，丞相认为上官桀已死，百姓皆知，不可起兵。不久汉廷下发赦令，赦免燕国所有的官吏和百姓，却唯独没有赦免刘旦。刘旦准备自杀，左右亲信认为倘若朝廷削去封国，废掉王爵，还可以保住性命。
燕王的姬妾夫人也都哭啼着阻拦，刘旦便不再寻死。昭帝又派专使赐送玺书，斥责刘旦“有叛逆悖乱之心，无忠君爱国之义。假如作古之人泉下有知，又有何脸面再见列祖列宗?”刘旦得书会意，即以绶带自缢而死，在王位三十八年，谥号刺王。
相关的史书记载都有《 史记·三王世家》《 汉书·卷七·昭帝纪第七》《汉书·卷六十三·武五子传第三十三》《汉书·卷六十八·霍光金日磾传第三十八》《 资治通鉴·卷二十二、三》[1]
五行怪异。元凤元年(公元前80年)，上官桀等谋划政变，由公主宴请霍光就席间击杀，刘旦得知消息后非常兴奋，坐等黄袍加身。就在此时，燕国却怪事纷起：都邑蓟城突遇暴风雨，大树摧折、城楼倒塌;雨后，彩虹悬垂宫中，吸尽井水。九月，乌鹊相斗，乌鸦溺毙于宫中水池;后宫永巷之中，群猪发狂，闯出猪圈，突入厨房;更为奇异的是，有一鼠立在王宫端门之中，旋转跳舞，燕王心惊，派人以酒肴祭奠，并无效验，舞尽一日一夜后力竭而死。
其后，又有流星下坠，声震远近，通向京师的燕城南门亦被天降大火焚毁。种种怪异，层见叠出，宫中自后姬以下人人震恐。刘旦因此受惊得病，遣人四出祈祷鬼神。燕王宾客 吕广善观天文，入见刘旦说：“五行怪异，九、十月间，当有兵马围城，汉廷有大臣被戮。”刘旦听后，愈加忧惧，对吕广道：“谋事不成，妖异屡现。兵气将至，如何是好?”
不久，谋杀霍光计划未及执行就被朝廷发觉，左将军上官桀、车骑将军 上官安、御史大夫桑弘羊、鄂邑长公主等尽皆伏法，一如吕广所言。燕王刘旦的帝王之梦也随之彻底破灭。悲情结局燕王谋立事发，朝廷诏令，大赦燕国，独不赦燕王。刘旦心中忧愤，置酒万载宫，大会宾客。
席间，刘旦自歌，侍妾 华容夫人伴舞，其词曰：“归空城兮狗不吠，鸡不鸣;横术何广广兮，固知国中之无人!”歌毕，华容夫人和之，续其歌曰：“发纷纷兮渠，骨籍籍兮无居。母求死子兮，妻求死夫。裴回两渠间兮，君子独安居!”歌词空虚凄婉，满座皆泣。时隔不久，汉廷第二道诏书下达，燕王刘旦遂自缢而死。王后、夫人随其自杀者二十多人。
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