公元前110年10月，率十八萬騎北巡，遣使諭告匈奴單於臣服。東越降，徙其民於江淮。4月，封禪泰山、大赦天下。以桑弘羊為治粟都尉領大農令。夏5月，置平準，不複告緡。
公元前109年10月，行幸雍，祠五峙。春，幸緱氏，遣方士千餘求神采藥。4月，祠泰山，臨塞決河，黃河複故道。募兵擊朝鮮。平南夷。
公元前108年12月，破車師。正月，俘樓蘭王，控製絲綢之路。夏，東定朝鮮，設四郡。是年，與烏孫和親。
公元前107年10月，行幸雍，祠五峙。3月，祠後土。夏，申流民法。
公元前106年冬，南巡狩，禮祠名山大川。4月，置刺史部十三州，以六條問事。是年，衛青病死，下《求賢詔》。
公元前105年3月，幸河東，祠後土。平定益州、昆明反叛。
公元前104年10月，登臨泰山。2月，大作建章宮。5月，詔用《太初曆》，以正月為歲首。色上黃，數用五，定宗廟百官之儀。8月，遣貳師將軍李廣利西征大宛。
公元前103年正月，丞相石慶卒，公孫賀為相。3月，行河東，祠後土。是歲，將軍趙破奴率兩萬餘騎深入匈奴境內，全軍覆沒。
公元前102年正月，巡海上，求神仙。夏，李廣利二征大宛。
公元前101年春，西破大宛，獲汗血馬，威震西域。自敦煌築亭至鹽澤。4月，封李廣利海西侯。
公元前100年因連年大旱，改元。正月，行幸甘泉，郊泰峙。3月，行幸河東，祠後土。蘇武被扣留匈奴。秋，閉京城大搜刺客。
公元前99年5月，遣李廣利擊匈奴於天山。興李陵獄。秋，禁止巫祠道中。作沉命法，增設繡衣直指。
公元前98年初榷酒酤。3月，修封泰山。祀明堂。
公元前97年正月，遣李廣利發天下十科謫擊匈奴。秋，令罪人入錢贖死。
公元前96年春，徙郡國豪傑於茂陵。立鉤弋夫人。
公元前95年3月，改鑄黃金幣。是年，開白渠。以江充為繡衣使者。皇子劉弗陵出生。
公元前94年正月，甘泉宮大宴外國客人。2月，幸東海。
公元前93年3月，祀高祖於明堂。修封泰山。12月，行幸雍，祠五峙，西至安定、北地。
公元前92年11月，大搜上林苑、長安城。江充奉詔治丞相公孫賀子太仆敬聲巫蠱獄。
公元前91年2月，族誅丞相公孫賀。劉屈氂為相。7月，江充掘蠱太子據宮。衛皇後與據斬江充，與丞相大戰長安。據敗走，衛皇後自殺。8月，太子劉據自殺。
公元前90年3月，李廣利出擊匈奴。夏，滅車師。6月，劉屈氂腰斬，李廣利降匈奴。9月，車（田）千秋訟太子冤獄，族誅江充。
公元前89年3月，躬耕钜定，封泰山，祀明堂。詔罷勞民傷財及神仙事。6月，拜車（田）千秋為相，下《輪台詔》悔過。封車（田）千秋為富民侯，趙過為搜粟都尉。
公元前88年正月，行幸甘泉，郊泰峙。6月，平馬何羅宮變。7月，削燕王劉旦三縣，逼死鉤弋夫人。
公元前87年正月，朝諸侯王於甘泉宮。2月，行幸五柞宮。立劉弗陵為太子。授霍光、金日磾、上官桀等遺詔托孤。丁卯日，崩於五柞宮，壽七十。3月甲申，武帝葬於茂陵。