漢武帝劉徹
為了加強邊防建設，西漢采取措施鼓勵民眾向邊境城邑遷徙，向邊境輸送糧食，對邊郡居民進行軍事訓練。還在邊郡設立馬苑，大量養馬，並鼓勵私人養馬。同時，大力加強騎兵的建設。經過長期努力，西漢終於建立起了一支能夠和匈奴抗衡的騎兵部隊。
元光二年（公元前133年），漢武帝放棄和親防禦戰略，對匈奴實施戰略反擊。六月，西漢以精兵30萬，設伏於馬邑附近山穀和代郡（治代縣，今河北蔚縣東北代王城）西部，想要誘使匈奴單於南下，然後進攻他。雖然伏兵被單於發現，戰略目標沒有實現，但預示著西漢對匈奴戰略反擊的開始。此後至征和三年（公元前90年）止，武帝調兵遣將，主動出擊，使用戰鬥力不弱於匈奴的騎兵集團深入大漠，以大縱深迂回、遠程奔襲等戰法，對匈奴發動了10餘次反擊作戰。
元朔二年（公元前127年）春，匈奴襲掠西漢東部諸郡。西漢采取胡騎東進，漢騎西擊之作戰方針，以車騎將軍衛青、將軍李息率部出雲中（郡治雲中，今內蒙古托克托東北），沿黃河西進，對河套以南地區匈奴樓煩王、白羊王部實施遠程迂回奔襲，一舉收複河套以南地區。從而解除了匈奴對長安的威脅，使匈奴失去水草肥美、對其生存和發展十分重要的河套地區。西漢在河套以南地區設郡縣，移民屯墾，修繕蒙恬所築之秦長城，將河南建成出擊匈奴的重要基地。
戰後，匈奴南下襲掠更加頻繁，右賢王更是不斷襲掠朔方（郡治朔打，今內蒙古杭錦旗北），企圖奪回河南。為鞏固河套以南地區和打擊大漠以南匈奴，漢武帝於五年（公元前124年）以騎兵10萬發起漠南之戰。主要方向由衛青率3萬騎出高闕（今內蒙古狼山中部計蘭山口）六七百裏，乘夜包圍襲擊了右賢王王庭（約在今蒙古南戈壁省內）。右賢王兵敗，率少數人逃走。漢軍俘右賢王部男女1.5萬餘，削弱了匈奴在大漠以南的力量，阻隔了匈奴中、西部的聯係。
六年（公元前123年），為進一步打擊匈奴在漠南主力，武帝以大將軍衛青率將軍公孫敖等六將軍，共10萬騎兩次出定襄（郡治成樂。今內蒙古和林格爾西北土城子）擊匈奴。打擊了單於主力，前後斬獲1.9萬人，漢亦亡兩將軍，損失3000人。此後，匈奴單於將主力轉移至大漠以北，河西（今甘肅武威、張掖、酒泉地區），匈奴變得勢單力孤。
西漢大將軍衛青
武帝抓住時機，於元狩二年（公元前121年），發起河西之戰。是年春，以霍去病為驃騎將軍，率精騎萬人自隴西（郡治狄道，今甘肅臨洮）出發，經五個王國，過焉支山（今甘肅山丹西北大黃山）千餘裏，斬俘8900餘。同年夏，霍去病率數力騎出北地（郡治馬嶺，今甘肅慶陽西北馬嶺鎮），再擊河西匈奴。漢軍渡黃河向北，采取大縱深迂回行動。越賀蘭山，向西北繞居延澤（今內蒙古額濟納旗北）向西南進入祁連山觚得（今甘肅張掖）一帶，殲滅渾邪王、休屠王部3萬餘人。此戰，打通了西域的道路，解除了匈奴對西部邊郡的威脅。西漢在河西設置郡縣，移民實邊，修築城塞，切斷了匈奴與西羌的聯係，進一步孤立了匈奴單於。
征途中的西漢大軍
為了徹底消滅匈奴的主力，武帝於（公元前119年）四年春令衛青和霍去病各率5萬騎兵發起漠北之戰，並以“私負從馬”（運輸私人行李的馬匹）4萬匹隨軍行動，步兵數十萬轉運輜重。衛青率部出定襄。北進千餘裏至漠北，擊敗單於軍，追擊至闐顏山（今蒙古杭愛山南麵一支）。霍去病率部出代郡2000裏，至漠北遇左賢王，大破之，追至狼居胥山，大勝而歸。漠北之戰，共殲滅匈奴9萬餘。漢軍亦損兵數萬，損失馬10餘萬匹。此戰，西漢準備充分，兵力優勢，充分發揮了騎兵快速、機動的優勢，較圓滿地解決了大騎兵集團的後勤補給，保證了決戰的勝利。“是後，匈奴遠遁，而幕（漠）南無王庭。”（《漢書·匈奴傳》）西漢也一時無力渡漠繼續追擊，雙方暫時休戰。
此後，西漢派張騫再次出使西域，聯絡西域國家共擊匈奴。雖未成功，但加強了西漢和西域各國經濟文化往來與相互友好，進一步孤立了匈奴。元鼎五年夏（公元前112年），匈奴又南下襲擾，並遮斷西域通路。六年，為打擊匈奴，並與匈奴爭奪對西域的控製，武帝對匈奴繼續用兵。是年，在李息、徐自為率軍平定西羌的同時，又以公孫賀、趙破奴分別出五原（郡治九原，今內蒙古包頭市西北）和令居（今甘肅永登西北）數千裏擊匈奴，均未見匈奴軍。太和元年（公元前104年），匈奴左大都尉欲降漢。武帝令趙破奴率2萬騎出朔方2000裏，欲至浚稽山（今蒙古國圖音河之南）接應。左大都尉事泄被殺，趙破奴撤軍途中被圍，全軍覆沒。天漢二年（公元前99年）五月，將軍李廣利率3萬騎出酒泉（郡治祿福，今甘肅酒泉市），進擊右賢王於天山（今新疆天山）。初戰獲勝，撤軍途中，遭匈奴軍包圍，乏食數日，死傷十之六七，突圍返回，李陵被俘。四年（公元前101年），李廣利率騎兵6萬、步兵7萬出朔方擊匈奴；強弩將軍路博德率萬餘騎出居延，協同李廣利作戰；遊擊將牛韓說率步兵3萬，因杆將軍公孫敖率騎兵萬餘、步兵3萬分別出五原、雁門（郡治善無，今山西右玉縣城南）擊匈奴。匈奴單於將輜重遠徙餘吾水（今蒙古土拉河）以北，率10萬騎迎戰李廣利於餘吾水南。李廣利與單於交戰十餘日，未能取勝而返。其餘各路軍亦無功。