玄武之名改為真武，應出現於宋。《集說詮真》載：宋真宗曾名玄休、玄侃，為避諱將玄武改為真武。另據《朱子語類》記載：為避趙宋聖祖趙玄朗諱，才改為真武。不管哪種說法，玄武改為真武確實為北宋。北宋前期，真武形象仍為龜蛇相互纏繞之狀，至於何時成為現今模樣，宋高承《事物紀原》中即記載：宋真宗天禧元年，營中有卒見龜蛇者，軍士因建真武堂。二年閏四月，泉湧堂側，汲不渴，民疾疫者，飲之多愈。真宗聞言，下詔建觀，賜名「祥源」。趙孟俯《啟聖嘉慶圖序》曰：玄武之神始降宋真宗時，為祠遍天下。
據《宣和畫譜》巻四載，北宋末期畫家武宗元即畫有真武像一軸。至南宋，真武人格化形象正式誕生，而後又經過後事傳承，其形象漸漸轉化。洪邁《夷堅支志》景卷三亦言，宋孝宗時進士葉方，曾得到一張舊畫，上書「真武仗劍坐石上，一神將甚雄猛，持斧拱立於旁」。後《雲麓漫鈔》等書出現，其形象定型為披髮黑衣，金甲玉帶，仗劍怒目，足踏龜蛇，頂罩圓光，形象十分威猛。
宋吳自牧著《夢粱錄》卷八記載，杭州佑聖觀，在興禮坊西，元孝廟舊邸，紹興間以普安外第設立光廟，乾道年間又開甲觀之祥。淳熙歲，詔改為道宮，以奉真武。昭定重建觀門，曰佑聖之觀，殿曰佑聖之殿，藏殿扁曰瓊章寶藏，御製《真武贊》及宸翰《黃庭經》，皆刻之石以賜，命道流修晨香夕炬之供。卷二又言，三月三日，正遇北極佑聖真君聖誕之日，佑聖觀侍奉香火，其觀系屬御前去處，內侍提舉觀中事務，「當日降賜御香，修崇醮錄，午時朝賀，排列威儀，奏天樂於墀下，羽流整肅，謹朝謁於陛前，吟詠洞章陳禮。士庶燒香，紛集殿庭。諸宮道宇，俱設醮事，上祈國泰，下保民安。諸軍寨及殿司衙奉侍香火者，皆安排社會，結縛臺閣，迎列於道，觀睹者紛紛。貴家士庶，亦設醮祈恩。貧者酌水獻花。杭城事聖之虔，他郡所無也。
如重慶大足石門山聖府洞有南宋紹興五年所造真武元帥像，這是目前我們所見到的最早的石刻造像。其神眼瞪目張，披頭散髮，額敕束髮箍，腦後有雙飄帛上拂，身著鎧甲玊帶，左手牽袖袍，右手在腹前仗劍，赤足立於一龜背上，龜左側有一蛇盤曲。
玄帝真武者，起於宋代羽客之言，即《元洞玉曆記》所謂元始說法於玉清，下見惡風彌塞，乃命周武伐紂以治陽，玄帝收魔以治陰。
元朝以北方遊牧族入主中原，視北方真武為王朝的保護神而加以崇奉。元代開國之初，元世祖下令在北京等地創建真武廟、昭應宮。至元七年，徐世隆撰《元創建真武廟靈異記》云：我國家肇基朔方，盛德在水，今天子觀四方之極，建邦設都，屬水行，方盛之月，而神適降，所以延洪休，昌景命，開萬世太平之業者，此其兆歟！為此，元代皇帝將真武之「真君」號升格為「帝」，《續文獻通考》卷七十九《群祀三》云：元大德七年十二月，加封真武為元聖仁威元天上帝。
元朝加封真武為元聖仁威元天上帝，其形像亦由英武將軍變為威嚴端莊的帝王。真武的形像開始分為武裝和文裝兩個傳統。文裝多為坐像，其玄天上帝多著皂袍或彩袍，披髮跣足，前有龜蛇，頂有圓光，面帶微笑；或帝王服，頭戴九穗冕，雙手捧圭，腳踏雲靴，一派帝王的氣像，左右有待衛的金童玉女。武裝基本上保持了宋代真武形像的傳統，即披髮跣足，躡踏龜蛇，手仗寶劍，身披皂袍，內著金甲，嚴肅英武。
明成祖時崇奉真武達到巔峰。因明成祖朱棣本燕地藩王，意欲舉兵奪取帝位，須藉助北方大神真武為其出師「正名」，謀士姚廣孝遂造作玄武助戰的神話。傅應麟《明書》卷一百六十《姚廣孝傳》載，朱棣決定舉兵「靖難」時，曾問師期於姚廣孝，廣孝對曰：「未也，俟吾助者至。曰：『助者何人？』曰：『吾師。』又數日，入曰：『可矣。』遂祭纛。見披髮而旌旗蔽天，太宗顧之曰：『何神？』曰：『向所言吾師玄武神也。』於是太宗仿其像，披髮仗劍相應。」故朱棣繼位以後，十分崇奉真武，除在京城建真武廟外。
明成祖崇奉真武，御用的監、局、司、廠、庫等衙門中，都建有真武廟，供奉真武大帝像。
永樂十年命隆平侯張信率軍夫二十餘萬大建武當山宮觀，建成八宮二觀、三十六庵堂、七十二巖廟、三十九橋、十二亭的龐大道教建築群，使武當山成為舉世聞名的道教聖地，並在天柱峰頂修建「金殿」，奉祀真武大帝神像。在京師，有國家官方正式供奉的國家級廟宇——京師九廟，而京師九廟的祭祀排在第一位的就是真武廟，其次才是東嶽泰山廟、都城隍廟。歲時朔望兩京各遣官致祭，武當山還有專官監督祭祀真武之事，每年三月三、九月九日，即真武大帝的生日及飛升日還有大祭。
崇奉真武的香火臻於極盛，經朝野上下的大力倡導，真武的信仰遍及大江南北，並隨著鄭成功入主臺灣，真武的信仰亦傳播臺灣及東南亞地區，廟祀幾遍天下。
從玄冥至玄武，再從玄武至真武。真武信仰一步步由北方之神、水神提高到天中真君，再由真君提高為真武大帝、玄天上帝，成為道教與民間信仰中的一赫赫大神。這基與玄天上帝的靈驗、道教中人大量的宣傳、以及歷代帝王的敕封。塑造了如今的玄天上帝的信仰。今《道藏》中收有三十餘種有關真武大帝的經書，即是其生平、神跡及影響的詳盡記述。
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