汉廷掌管音乐的机构称乐府，其职责之一是从民间采集民歌，进行加工配乐，称作乐府诗。汉武帝时乐府诗开始繁荣。乐府诗大多出自民间，内容丰富，情感真实动人，具有很高的艺术价值。建安年间的《孔雀东南飞》是汉代乐府诗的代表作。在乐府诗的影响下，东汉时出现了五言诗，如《古诗十九首》诗句平易动人，意境隽永，可与乐府诗相媲美。后世的《乐府诗集》《玉台新咏》也搜集了不少汉代乐府诗。
汉代绘画艺术趋于成熟。1972年长沙马王堆汉墓出土的帛画代表了汉代绘画的最高水平。帛画长205厘米，分上、中、下三栏，分别表现天上、人间、地下情景，将想象与现实有机地融合在一起。笔法细腻，色彩绚烂。
汉代还流行在宫殿、邸舍、祠堂、墓室等建筑上绘制壁画，题材以人物故事为主，此外还“图画天地，品类群生，杂物奇怪，山神海灵”，包罗万象。
朝廷少府属官黄门令下设有专门的画工，西汉着名的画工有毛延寿、陈敞等。东汉画工种类更多，和帝邓皇后诏令中曾提到画工39种。
石刻、砖刻画像是汉代典型的雕刻艺术形式。汉代墓葬中发现了大量石刻、砖刻壁画。称为画像石或画像砖，在北方和四川等地均有出土，以山东嘉祥武梁祠、肥城孝堂山祠的画像石最为知名。其题材主要有狩猎、宴饮、乐舞、战争等现实生活内容和历史故事。构图复杂精美，线条刚劲有力。
汉代的立体雕刻艺术也很可观。陕西兴平霍去病墓前的石兽群，利用石材的天然形态加工而成，古朴豪放。其中的马踏飞燕像，形态逼真。东汉的雕刻技术更为成熟，山东济南无影山汉墓出土加彩乐舞杂伎俑群、四川雅安高颐墓前的石兽，姿态灵动。
汉代时期，隶书亦渐渐取代小篆成为主要书写字体，而隶书的出现则奠定了现代汉字字形结构的基础，成为古今文字的分水岭。这一时期，还出现了标点符号的雏形。
佛教最早传入中国大约是西汉时期。历史上有“伊存授经”、“永平求法”等说法。“伊存授经”是西域来的外交官应邀向西汉末年的上层社会传授佛经。“永平求法”是东汉初年，汉明帝派员西行求法。白马寺是中国第一间佛寺。中国第一部汉译佛教经典是在白马寺译出的《四十二章经》。
张道陵创立道教也是这一时期影响中国的大事，张陵正一盟威之道的直接渊源就是巴蜀氐羌民族的原始巫教——鬼道。东汉末年，道教分为两大流派，一支为太平道；另外一支为天师道，亦称为五斗米道（张道陵创五斗米道），而五斗米道内部还有一个大支派，以于吉为教主，在长江下游地区传播。
纸发明以前，中国古代的书写材料主要为竹简、木牍和缣帛。简牍笨重，缣帛价贵，都不适宜大规模制造和使用。西汉时已经出现植物纤维纸，但因技术不成熟，未能广泛应用于书写。东汉和帝时，宦官蔡伦改进造纸术，利用树皮、麻头、破布等廉价材料，制造出高质量的纸，适于书写，宜于推广，被称为“蔡侯纸”。中国的造纸术后来逐步传入朝鲜、日本和中亚各国，又经阿拉伯传入欧洲，为世界文化的发展作出了巨大贡献。
汉代天文学较为发达。《史记·天官书》详细记载了二十八星宿的名字和位置。当时人已能通过星辰运行准确推算出二十四节气，并保留下来对日食和太阳黑子的观测记录。东汉的张衡在天文学方面成就最大。他改进浑天仪，将齿轮与漏壶相连，观测星宿出没；发明候风地动仪，测定地震方位，被誉为“制作侔造化”。他着有《灵宪》一书，阐释天体演化原理。当时对天体的认识主要有“盖天说”和“浑天说”。张衡力主浑天说。
天文学的发展推动了历法的改进。秦和汉初沿用“颛顼历”，以十月为岁首。由于年代久远，汉时已与时令不合。太初元年（前104年），汉武帝命司马迁与邓平、唐都、落下闳等人，作“太初历”，以正月为岁首。太初历是中国第一部记载完整的历法。东汉章帝元和二年（85年），又改用更为精密的“四分历”。
汉代的算学在《周髀算经》的基础上又有很大发展（一说《周髀算经》是前1世纪汉代的作品）。张家山汉墓出土的吕后时期的《算数书》，奠定了《九章算术》的基础。《九章算术》是对战国、秦、汉古代社会创立并巩固时期数学发展的总结，列有分数四则运算、今有术（西方称三率法）、开平方与开立方（包括二次方程数值解法）、盈不足术（西方称双设法）、各种面积和体积公式、线性方程组解法、正负数运算的加减法则、勾股形解法等筹算方法，形成了一个以筹算为中心、与古希腊数学完全不同的独立体系。它的成书标志着中国古代数学体系的形成。在世界数学史上占有重要地位。
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