唐宪宗李纯即位后，十分赏识武元衡，提拔他当了宰相。这一年，武元衡刚刚四十九岁，年富力强，正是施展才华的年龄。当时的西川节度使高崇文是一介武夫，根本不会管理地方政务，李纯知道武元衡能够担此重任，但是又不舍得让他离开京城，就任命他为剑南西川节度使，兼任宰相。李纯对武元衡寄予厚望，武元衡也壮志在心，怀着一腔热血来到西川之后，他却发现高崇文离开后，把所有的财物都带走了，这里成了一座空城。
面对一无所有的西川，武元衡颁布了很多优惠措施，让百姓们休养生息，大力发展农业，使西川的经济在一年之后就得到了恢复，府库重新变得充实。武元衡在西川任职的七年中，受到了百姓和朝廷的一致称赞。李纯将武元衡召回朝廷，继续担任宰相。
武元衡回朝之后，面对的最大问题还是藩镇割据。由于藩镇的节度使是地方的最高行政长官，掌握诸多权力，导致朝廷政权的弱化。藩镇制度最早设置是为了抵御外敌。到了后来，藩镇的势力逐渐增强，开始不服朝廷的管理，唐德宗李适曾经试图削藩，反而引起了节度使起兵叛乱，虽然后来勉强平定了叛乱，却再也无力抗击藩镇势力，只能无奈地发布罪己诏，不再约束藩镇。
但是唐宪宗李纯的态度却十分强硬，直接对藩镇以武力讨伐。李纯在连续除掉了几个割据势力后，宰相武元衡审时度势，指出应该进一步削藩，继续攻打淮西，不能有丝毫犹豫，李纯深表赞同，派李师道和王承宗出兵。这两个人表面上虽然支持朝廷，但是暗地里却支持淮西节度使吴元济。他们偷偷招募了数百名地痞无赖，攻入朝廷的转运院，烧毁了大量的钱财、布帛、谷物，摧毁了唐军的后勤补给地。不仅如此，他们还派人潜入京城，准备刺杀宰相武元衡和御史中丞裴度。因为如果这两个人死了，其他朝臣就不会再提用兵镇压藩镇的事情了。
一天早上，天还没亮，长安城里静悄悄的。一队侍卫提着灯笼，簇拥着宰相武元衡出了府邸，刚走出没多远，武元衡突然听到黑暗中有人高喊了一声：“熄灭灯笼！”侍卫手中的灯笼全被熄灭了，周围变得一片漆黑，白刃闪闪、暗箭乱飞，侍卫们抵挡不住，四下逃跑。武元衡骑在马上，被重物击中左腿，钻心的疼痛让他摔下马来，胸口挨了一刀，当场就死了。刺客砍下他的头回去报功。天亮之后，巡逻兵士发现有人被杀，调查之后发现竟然是当朝宰相遇害了。与此同时，御史中丞裴度也遭到了袭击，他跟武元衡一样在上朝的路上遭遇刺客。他被连刺了三刀，却没被击中要害，裴度跌进沟中，刺客以为他已经死了，停止了追杀，裴度幸运地躲过了一劫。
朝中的两位重臣一死一伤，京城一片哗然。李纯立刻下诏，让骑兵护送大臣上下朝，宰相所过之处，路人必须回避，但是大臣们仍然十分恐慌，去上朝的时候都是战战兢兢的。可气的是，刺客行凶后竟然留下字条，威胁破案的官员如果捉拿他们，就杀死他们，办案的官员吓住了，不敢再去搜寻线索。眼看着案子一再被拖延，当时任左赞善大夫的白居易，上疏请求加快抓捕凶犯，朝中权臣们觉得他多管闲事，将其贬为江州司马。
兵部侍郎许孟容去觐见李纯，哭着说：“陛下，这可是惊天大案啊，之前从没发生过宰相去上朝却被刺客在路上杀害，如果不能抓捕他们，这可是朝廷的奇耻大辱啊！请您下令尽快破案，以告慰宰相的亡魂。”李纯被这番话感动了，立即下诏擒拿刺客，抓获刺客的人有重赏，授五品官，隐匿刺客的人灭族，还派兵在京城长安和东都洛阳展开大搜捕。李师道手下的一名士兵悄悄去告密，说刺客是李师道派去的，而且他已经秘密带兵潜入了洛阳，预谋叛乱。李纯听说后立刻派兵围剿，捉拿了李师道及其党羽数千人，刺客也全部落网，斩首示众。
李吉甫和《元和郡县志》
唐代有一位修史纂志的著名宰相，他就是赵郡李氏家族的李吉甫。出身名门望族的李吉甫自幼勤奋好学，博览群书，知识渊博，为日后修史著书奠定了基础。
他二十七岁的时候就担任了太常博士，受到宰相李泌和窦参的器重。后来，李吉甫被外放为明州长史，历任柳州刺史和饶州刺史等职务。唐宪宗李纯继位后，让李吉甫返回朝廷，把他召入翰林院，担任了翰林学士，并改任中书舍人，赐予紫衣。
西川节度副使刘辟叛乱后，大部分的朝臣都认为蜀地地势险要，易守难攻，不主张出兵讨伐。宰相杜黄裳却极力主张出兵讨伐，还推荐了神策军使高崇文担任伐蜀主帅，李吉甫也赞成出兵讨伐。西川平定后，李吉甫又建议让高崇文和严砺分别担任西川、东川的节度使，让他们相互牵制。
李吉甫因为曾经被外放十多年，深知百姓的疾苦，所以奏请皇帝，让节度使属下的各郡刺史独自为政，建议禁止州刺史擅自拜见节度使，同时禁止节度使以岁末巡检的名义向州县的百姓征收苛捐杂税。李吉甫觉得镇海节度使李锜骄横跋扈，有反叛的危险，所以劝李纯召他回朝，加以控制。但是三次征召都被李锜以患病为由搪塞过去。后来，李锜果然发动叛乱。李吉甫建议李纯派兵攻打李锜，顺利平叛，李吉甫因此获封。
李吉甫原本和窦群等人关系很好，但是窦群担任御史中丞后，和李吉甫产生了矛盾。后来，李吉甫患病，让医生留宿在家，窦群却抓了医生，禀报皇帝说李吉甫结交术士。李纯查知实情后，贬谪了窦群等人。虽然有惊无险，但是李吉甫通过这件事知道自己在朝中树敌过多，就辞去相位，出镇淮南。他在淮南的三年里，率领百姓修筑了几个水利工程，灌溉农田近万顷，还免去了当地百姓数百万石的欠租，深得民心。
李吉甫因病去世时，时年五十七岁。他生前除了担任宰相，更引人注目的就是他编纂的一系列书籍。他撰写了《六代略》三十卷，《元和国计薄》十卷，《六典》诸官职《百司举要》一卷，《删水经》、《元和十道图》、《元和郡县图志》等著作。
其中最有名也是流传最广的就是《元和郡县图志》。这本书详细地记载了唐宪宗元和年间全国的疆域政区、建置沿革、山川物产、户口变迁等情况。各卷叙事文字之前都有绘制的地图，所以称为《元和郡县图志》。但是该书在流传过程中地图都已经找不到了，仅仅剩下文字，所以改称《元和郡县志》。
李吉甫撰写《元和郡县图志》这样一部地理学著作，和他当时的政治思想有着密切的关系。他生活在一个藩镇割据的战乱年代，有着一颗忧国忧民的心，当宰相以后更深切地感受到国力衰弱和藩镇的巨大威胁，所以急切地希望讨平藩镇，维护朝廷统治。他认为掌握山川形势、户口物产和交通要塞等全国地理状况，是事关兴替安危的大事。
《元和郡县图志》作为一部全国地理总志，对政区沿革地理方面有非常系统的描述。每一县下都写了当地的发展沿革和名胜古迹等，还作了一些必要的考证。李吉甫在写书的时候本着实事求是的严谨态度，对于那些弄不清楚的问题，没有武断地下结论，而是抱着存疑的态度。
这本书在自然地理方面的资料也相当丰富，写了附近山脉的走向、水道的经流、湖泊的分布等。全书共记载水道五百五十余条，湖泊一百三十多处，不仅记载了那些为人所知的大川大泽，还记载了一些不怎么引人注意的小河流，他还对各种地貌特征进行了详尽的描述。
在经济地理方面，李吉甫在每个府、州之后都写有贡赋一项，这是这本书首创的。上面记录的贡品大多是当地的土特产，包括著名的手工艺产品和矿产、药材等，对当地的水利设施和工矿业以及其他经济资料也有记载。
李吉甫的《元和郡县图志》总结和发展了前代地理学著作的优点，还有自己的创新，所以称得上是一部划时代的地理学著作，给后世带来了深远的影响。
元和礼佛，韩愈冒死上疏
唐宪宗李纯在力主削藩的过程中，可以算是一位英明的君主，但是在削藩战争胜利后，他却开始自以为是、忘乎所以。尤其是到了晚年，李纯竟然迷信起佛法来。
佛教在两汉之际传入中国，一开始只是在少数百姓中流传。汉代灭亡后，在魏晋南北朝混乱时期，佛教得到了广泛地流传。到了唐代中期，佛教达到了鼎盛阶段，与中国本土的道教、儒学并称“三教”，相互形成鼎足之势。佛教在唐朝的盛行严重影响了政府的财政收入，给征兵、劳役、官吏等方面都造成了极大的困难，百姓的积怨很多。
凤翔的法门寺里有一座宝塔，叫护国真身塔，塔里供奉着一根骨头，据说是释迦牟尼佛留下来的一节指骨，每隔三十年才开放一次，供人瞻仰礼拜。佛骨是佛涅槃后，火化所留下的遗骨和骨灰，又称为佛舍利，或舍利子，也有以佛身的部位而命名的，如佛顶骨、指骨、佛牙等。在佛骨中，以释迦牟尼佛的舍利子最为珍贵，据传两千五百年前释迦牟尼涅盘，弟子们将他火化之后，从灰烬中找到了了头顶骨、牙齿、中指骨和八万四千颗舍利子。
唐宪宗李纯听说后就想把佛骨请进宫中，认为这样做能够求得风调雨顺，国顺民安。于是，他特地派了几十人的仪仗，到法门寺把佛骨隆重地迎接到位于长安的皇宫里供奉，再送到寺庙里，让长安的百姓瞻仰。王公大臣们见皇帝如此虔诚，不管是不是信仰佛教，都想去凑个热闹，千方百计地寻找瞻仰佛骨的机会。有钱的捐了香火钱，没钱的就用香火在头顶和手臂上烫几个香疤，算是对佛祖的虔诚。
当时，朝中有一位大臣叫韩愈，字退之，他不仅是一位直言敢谏的大臣，还是著名的诗人、文学家、哲学家、思想家，是唐宋八大家之一。韩愈向来不信佛，更不要说去瞻仰佛骨了。他对这种铺张浪费迎接佛骨的活动极为不满意，他给唐宪宗李纯上了一道奏章，劝谏他不要再干这种迷信的事情。他说佛法在中国古代是没有的，在汉明帝以后才从西域传了进来，历史上凡是信佛的朝代，寿命都不长，所以他认为佛是不可信的。
李纯收到这封奏章后，大发雷霆，立刻把宰相裴度叫了过来，气愤地说：“爱卿，韩愈说我信佛过了头，人各有志，他不信佛我可以不追究他，但是他竟然说信佛的皇帝寿命都不长，这不是在咒我死吗？就凭这一点我就不能饶了他，一定要把他杀掉！”宰相裴度连忙替韩愈求情，并且说好话安慰皇帝，直到李纯的火气慢慢消退。
除了宰相裴度，替韩愈求情的大臣还有很多，李纯碍于面子就没有杀掉韩愈，只是把他贬谪到潮州去当刺史。但是韩愈仍然不服软，坚持自己的主张，写诗道：“一封朝奏九重天，夕贬潮州路八千。欲为圣明除弊事，肯将衰朽惜残年。”