1569年，李時珍三人來到向往已久的武當山。武當山在湖廣西南，現在就是湖北境內。山中有七十二峰，二十四澗，方圓八百餘裏。武當山層巒疊嶂，林密叢深，滿山是珍貴的動植物，奇花異草，珍稀動物，可以說是一座天然的動植物藥庫。
李時珍一行三人在武當山中采得無數藥物標本，一晃就是幾個月，樂而忘返。最後，他們沿著太和山北端到天柱峰長達140裏的“神道”，向太和山的主峰前進。路上處處飛瀑，遍地清泉，林木茂盛，幾乎遮住了上山的道路。
黃昏，他們來到紫霄宮附近。他們正在大樹參天、荒草沒頂的小徑上艱難地走著，忽然，建元驚喜地發現一棵榔樹上結著一種奇特的果子。
李時珍停下來一看，隻見榔樹上果實累累，形狀怪異，既像桃，又似杏。他從低垂的樹枝上摘下一個，咬了一口，細細品嚐，又覺得那果子極為香甜，略帶酸味，有點像熟透了的梅子。他突然明白了這是什麼東西，臉都變了色：“糟了，我們吃了皇上下令百姓不準偷吃的禁果榔梅!”
龐憲很奇怪：“榔梅有什麼稀奇，百姓連嚐一下都不可以？”
李時珍歎了一口氣，說：“其實，榔梅並沒有什麼稀奇，不過是將梅樹接到榔樹上結出的果子罷了。形狀奇特一點，味道也不錯。隻是，當今皇帝信奉道教。關於榔梅有一個神奇的傳說：真武大帝當年在太和山修道時，折梅枝插在榔樹上，對天祈禱說:吾道若成，開花結果!後來，果然那榔樹開了花，結了果。道士們每年秋天將榔梅摘下來，用蜜炮製，向皇帝和王爺進貢，說吃了它能成仙得道，長生不老。以後，皇上便下令榔梅為禁果，隻準進貢朝廷，百姓偷吃便是犯法!”
李時珍話還沒說完，隻見一群道士提著木棍向他們走來。李時珍連忙迎了上去，說道：“我們是郎中，進山采藥，誤食禁果，請求原諒!”
人群中，走出一個老人，看來是道長，他問李時珍是何方人，為什麼來到這裏？李時珍說：“我是蘄州郎中李時珍，為重修本草，來這查訪藥材”交談中，當道長得知李時珍的父親是李月池時，便高興地告訴李時珍，他和月池先生是好友。於是，幹戈立化為玉帛。道長請李時珍到住處一敘。
李時珍一行隨道長來到紫霄宮。隻見紫霄宮內香煙繚繞，大殿正中，有一個巨大的煉丹爐，爐火熊熊。李時珍說：“晚輩想在重修本草時，把煉丹家修煉的各種丹藥記載上去，請道長指教。”道長非常爽快，願意將所知的煉丹術講出來，並領李時珍仔細觀看了煉丹過程。李時珍在紫霄宮住了下來，詳細地記錄了各種丹藥的製作過程和功效，同道長討論丹藥和各種礦物藥。他和道長談得投機，不僅談丹藥，而且談諸子百家學說。道長是個知識淵博的人，興奮之餘，竟將紫霄宮秘傳的“武當行步功”授給了李時珍，使李時珍獲益不淺。
此後，李時珍還多次到武當山向道長請教，並遍遊大別山、茅山、伏牛山等名山。他花了四五年的時間，帶著徒弟龐憲和兒子建元到湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、河南、河北、山東、福建等地，行程不下萬裏，采集了許許多多藥物標本，繪下了成千幅藥物實圖，寫下了數百萬字的調查訪問記錄。
在這幾年中，他發現了可作藥用的植物、動物、礦物藥數百種，記敘了上千種藥物的性狀，治療效果。除了植物藥以外，他還記敘了大量的動物藥材，如牛黃、狗寶、牡蠣、珍珠等。
李時珍通過向道士請教，記載了大量煉丹家煉成的有效藥物，並記下了許多礦物學知識。他說金有山金、沙金兩種，其色七青、八黃、九紫、十赤，以赤為足色。和銀者性柔，試石則色青。和銅者性硬，試石則有聲。”這實際上是現代冶金仍在采用的一種“比色法”。他總結了試驗金子成色的方法，即用試金石在金子上劃一條線，憑這條線的顏色和標準樣品的顏色比較就能夠估量出金子的含金量。並說明此法隻可用於金銀合金，不能用於金銅合金，還補充了區別這兩種合金的辦法。他還記錄了鋁粉製法的原理和步驟，這是世界上最早的關於鋁粉製法的記錄。
李時珍在礦山周遊的時候，發現了許多新的礦物藥，如石炭等。