元光二年，漢武帝派馬邑人聶翁壹出塞，引誘匈奴進占馬邑，漢軍三十餘萬埋伏近旁，企圖一舉殲滅匈奴主力，匈奴兵1O萬入塞，中途發覺漢的誘兵計劃而退卻。此後，匈奴多次大規模進攻邊塞，漢軍也多次反擊和進攻，其中影響較大的有三次。
元朔二年，匈奴入侵，漢武帝派衛青、李息出兵雲中郡，在河套地區大破匈奴軍隊，俘虜數千人，一舉收複河套地區，漢在那裏設朔方郡，並修繕了秦時的邊塞。同年遷民1O萬，邊務農，邊守衛。元溯年間，匈奴連年入侵，漢軍在衛青指揮下數度出擊，沉重打擊了匈奴軍隊。
元狩二年，漢武帝命霍去病領兵遠征匈奴。霍去病從隴西出擊，過焉支山千餘裏，殲敵8OOO多人，殺匈奴二王，繳獲了匈奴的祭品金質佛像。同年夏，霍去病又與大將公孫敖出北地塞外2OOO餘裏，直到祁連山，斬獲匈奴3萬餘人，迫使匈奴渾邪王殺休屠王，率部4萬餘人歸漢。西漢王朝在其故地設酒泉、武威、張掖、敦煌四郡。不但隔絕了匈奴與羌的聯係，還溝通了內地與西域的直接交通，使雙方勢力的消長發生了顯著變化。
元狩四年，一場決定匈奴命運的戰爭開始了。這年漢武帝命衛青、霍去病率1O萬騎兵，近1O萬匹馬負載輜重，幾十萬步兵殿後，分道北征。西路衛青軍從定襄出發，在漠北擊敗單於，殲敵1.9萬人，一直攻打到今蒙古高原杭愛山以南，繳獲大批糧食而還。東路霍去病軍從代郡出發，行軍2OOO餘裏，以靈活多變的奇襲，生擒匈奴屯頭王、韓王等三人，前後殲敵7萬多人，一直打到狼居胥山。在那裏霍去病代表漢王朝舉行了封禪禮。經過這次大戰，匈奴已無力再到大漠以南進行侵擾，西漢王朝開始對北方地區進行開發建設，鞏固邊防，恢複農業生產。從此，漢與匈奴十七年間沒有發生戰爭。
抗擊匈奴的戰爭，是漢武帝最重要的“武功”。它打擊和抑製了近百年來匈奴對中原地區的燒殺掠奪，保護了人民的生命財產和國家領土的完整。他保證了漢朝社會經濟和文化的發展，是一次正義的行動。
“鑿空"西域
西漢時，把陽關和玉門關以西即今新疆乃至更遠的地方，稱作西域。西漢初年，西域共有三十六國。
漢武帝聽說西遷的大月氏有報複匈奴之意，就派人出使大月氏，聯絡他們東西夾攻匈奴。漢中人張騫以郎應募，建元二年，張騫率領1OO餘人離開長安向西域進發。途中被匈奴俘獲，滯留了1O年，終於尋機逃脫，西行數十日到達大宛。這時大月氏已不想攻打匈奴而西遷了，張騫沒有達到目的，在西域呆了一年多東返，途中又被匈奴扣留了一年多。元溯三年，張騫回到長安，受到漢武帝的熱情接待，後被封為博望侯。此次西行前後達1O餘年，雖未達到目的，但獲得了大量西域的資料，司馬遷稱張騫此行為“鑿空”。
張騫歸國後，漢武帝曾遣使探求通過身毒，開辟一條不經匈奴而到大夏的交通線，但是沒有成功。後來，漢軍打敗匈奴，取得了河西走廊地區，打通了西漢與西域之間的通道。
霍去病在祁連山大破匈奴後，張騫建議聯絡西域強國烏孫，以斷匈奴右臂。元狩四年，張騫再次出使西域，目的是招引烏孫回河西故地，並與西域各國聯係。張騫到烏孫，未達目的，於公元前115年偕同烏孫使者返抵長安，被張騫派往西域其他國家的副使也陸續回國。從此，漢同西域的聯係頻繁起來。
但是，西域諸國仍未完全擺脫匈奴的控製，樓蘭、車師等國在匈奴的策動下，經常劫掠西漢派往西域的使臣和商隊。為了確保西域通道，元封三年，王劇率騎兵擊破樓蘭，趙破奴率軍擊破車師。元封六年，西漢又與烏孫王和親，企圖聯合協迫匈奴。同時為了打破匈奴對大宛的控製並取得大宛的汗血馬，漢武帝派李廣利領兵數次進攻大宛，在付出沉重代價後，攻破大宛都城，使西漢在西域的聲威大振，確保了西域通道的安全。西域道路暢通後，使西域與中原地區聯為一體。西域的葡萄、石榴、苜蓿、胡豆、胡麻、胡瓜、胡蒜、胡桃、汗血馬及各種奇禽異獸和名貴毛織品傳入中原。中原的鐵器和牛耕技術、鑿井技術傳入西域，特別是向西域輸入大量絲織品，形成了曆史上有名的“絲綢之路”。
張騫通西域，促進了西域社會的進步，豐富了中原地區的物質和精神生活。
開疆拓土
漢武帝是以“大一統”為己任的。在董仲舒“大一統”思想的指導下，他要建立一個幅員遼闊、疆域廣大的封建大帝國。在解決了北方匈奴和西域的問題後，他把眼光轉向了東南和西南邊疆。
我國的東南地區長期以來居住著越人，秦朝時曾在這些地區設置郡縣，在秦末農民起義過程中，各地的豪強官吏乘機獨立稱王，形成割據勢力。當時，這些割據勢力，有在今浙江南部的東甌，今福建境內的閩越，今兩廣地區的南越。
建元三年，閩越出兵攻打東甌，東甌向西漢求救。西漢出兵後，閩越退去。東甌王決定歸附西漢管轄，漢朝把他們的一部分遷至江淮之間。從此，東甌人同中原人民共同生產，建設著祖國的東南地區。
南越王趙佗原是秦朝的一個校尉，後來，他自立為王，他的後代也繼續稱南越王。漢武帝中期，趙興即位，因年少，大權落入呂嘉手中。呂嘉怕自己的權勢和地位保不住，於是起兵叛亂，殺死趙興和摎太後。漢武帝決定消滅呂嘉割據勢力，元鼎元年秋，十幾萬駐軍進攻南越，呂嘉被生擒，南越政權到此滅亡。
閩越政權在三個政權中勢力最強，曾圍攻東甌，出擊南越，後來攝服於漢朝的威勢，表麵上受漢朝的節製，暗地裏與南越勾結。漢武帝調整大軍進攻閩越。閩越王餘善被部下殺死，閩越歸漢。
在進攻東南地區的同時，漢武帝又開始了開辟我國西南地區的行動。從此以後，中原的人民到西南地區的越來越多，促進了當地經濟、文化的發展。
下詔自譴
漢武帝在位5O多年，建立了一係列的文治武功，但有些事是不得不做的，其中也做了不少不利於社會發展和對人民有害的事情。比如在他晚年時興起的“巫蠱之禍”，就曾逼死了自己的兒子。
漢武帝有個兒子叫劉據，性情寬厚仁愛，被立為太子。他常規勸武帝少興征伐之事，不要嚴刑苛法，濫殺大臣，這些都使漢武帝感到不快。正好這時漢武帝重用一個奸臣江充，他曾與太子劉據結怨，於是乘機陷害太子，說太子在背後使用巫術咒罵漢武帝。太子劉據一氣之下殺了江充。漢武帝誤認為是太子怕獲罪，才殺了江充，派人捕捉太子。劉據被迫反抗，兵敗自殺。
作為最高統治者，漢武帝極盡窮奢極欲之能事。為了炫耀威勢，他到處巡行、封禪。元封元年，他北率18萬騎兵，旌旗千裏，封禪泰山，東巡海上，所過之處，大肆賞賜，用帛百餘萬匹，錢幾萬萬。巨大的人力和財力耗費極其沉重地加深了人民的負擔。漢武帝大興土木，動用大量人力、物力，擴建上林苑，開鑿昆明池，建造首山宮、明光宮、建章宮等雄偉殿宇。他又追求長生不老之術，結果，大量錢財被方士騙去。他統治期間又多次發生大規模水災、旱災、蝗災等自然災害。
戰爭、災荒，加上漢武帝生活上的過份奢華，使階級矛盾激化了。農民被迫離開土地，淪為流民。在漢武帝晚年時，幾乎在全國範圍內都爆發了農民暴動和農民起義。
經過一係列的打擊之後，漢武帝開始認識到自己政策上的一些失誤，決定改弦更張。征和四年，漢武帝下詔表示追悔既往的過錯，拒絕了大臣煩勞百姓的建議，認為當前的正事在於禁止對百姓的苛暴行為，不準擅自加重人民賦稅負擔，而應致力於農事，鼓勵百姓多養馬，免除徭役賦稅。之後，漢武帝采取了一些有利於發展農業的措施。他晚年的追悔之心和他推行的“富民政策”對當時和以後起了積極作用。
後元二年，漢武帝在陝西境內巡行時，一病不起。他召來霍光等人，立少子劉弗陵為帝，拜霍光為大司馬將軍，叫他效法周代周公輔助成王的故事，輔佐小皇帝。不久，這位雄才大略的皇帝駕崩於五柞宮，享年69歲。之後，漢武帝的靈櫬移殯於未央宮前殿，18天後葬於長安西北八十裏的茂陵。
漢武帝在位54年，使中國封建社會在經濟製度、政治製度、思想意識上都達到了完備，標誌著中國封建社會的基本成熟和定型。漢武帝時期在我國文化發展史上也出現了光輝燦爛的局麵。當時，湧現出諸如董仲舒、司馬遷、司馬相如、衛青、霍去病、唐都、落下閎、趙過、張騫等一大批各方麵的著名人物，他們的出現是中國封建社會前期政治、經濟、文化發展的必然結果。漢武帝也因此成為中國曆史上一位雄才大略的帝王。