汉武帝生于汉景帝前元年（前156年）【而据《史记》《汉书》的后妃传记载，汉武帝生于汉文帝后七年（前157年）】。母王氏，汉景帝中子。其母王氏在怀孕时，汉景帝尚为太子。王氏梦见太阳进入她的怀中，告诉汉景帝后，汉景帝说：“此贵征也。”刘彻还未出生，他的祖父汉文帝就逝世了。汉景帝即位后，刘彻出生，他亦是王氏唯一的儿子。
刘彻初名彘，天生聪颖过人，慧悟洞彻，进退自如。三岁时，景帝抱于膝上，试问刘彘：“乐为天子否？”对曰：“由天不由儿。愿每日居宫垣，在陛下前戏弄。”刘彘信口而应的回答，使刘启不得不对这个儿子另眼看待。
刘彘有惊人的记忆力，求知欲特别强，尤爱读书中古代圣贤帝王伟人事迹，过目不忘。景帝深感诧异。刘彘“讼伏羲以来群圣，所录阴阳诊候龙图龟册数万言，无一字遗落。至七岁，圣彻过人”，景帝遂改刘彘名“彻”。“彻”字表示充满智慧，达到圣德的要求。
前元四年（前153年），刘彻以皇子的身份被封为胶东王。同年，景帝的长子、他的异母长兄刘荣获封为太子。前元六年（前151年）秋九月，无子无宠的薄皇后被废。第二年（前15年）春正月，废栗太子刘荣为临江王；夏四月乙巳，其母王氏被立为皇后，丁巳，刘彻被立为太子。他成为太子与其母孝景王皇后和其姑母馆陶公主刘嫖有很大关系。刘嫖许诺将她的女儿陈氏嫁给当时四岁（古代按虚岁计算）的胶东王刘彻。刘彻后娶陈氏为妃，两人成婚的时间无考。
后元三年（前141年）正月，景帝逝世。甲子，太子刘彻即皇帝位，尊皇太后窦氏曰太皇太后，皇后王氏曰皇太后。
君临天下
汉武帝登基之初，汉朝建立已经有六十多年了，天下安定，朝廷大臣们都希望天子举行祭祀泰山和梁父山的封禅大典，改换确定各种制度。而皇上也崇尚儒家的学说，就通过贤良方正的科目招纳贤士。赵绾、王臧等人靠文章博学而做官，达到公卿的高位。他们想要建议天子按古制在城南建立宣明政教的明堂，作为朝会诸侯的地方。他们所草拟的天子出巡、封禅和改换历法服色制度的计划尚未完成，正赶上窦太后还在推崇信奉黄帝、老子的道家学说，不喜欢儒术，于是派人私下里察访赵绾等人所干的非法谋利之类的事情，传讯审查赵绾、王臧，赵绾、王臧自杀，他们所建议兴办的那些事情也就废止了。
直至建元六年（前135年）五月窦太后去世，汉武帝才得以掌握大权。他进一步削弱诸侯王的势力，颁布大臣主父偃（yǎn）提出的推恩令，以法制来推动诸侯王分封诸子为侯，使诸侯王的封地不得不自我缩减。同时，他设立刺史，监察地方。加强中央集权，将冶铁、煮盐、酿酒等民间生意编成由中央管理，禁止诸侯国铸钱，使得财政权集于中央。思想上，采用董仲舒“罢黜百家，独尊儒术”的建议，为儒学教育在中国古代的特殊地位铺平了道路，在长安创立专门的儒学教育——太学，是当时的最高学府。
汉武帝时期，汉朝亦不曾缺少法治思想。在宣扬儒学的同时，汉武帝亦采用法规和刑法来巩固政府的权威和显示皇权的地位。因此，汉学家认为这更应该是以儒为主以法为辅，内法外儒的一种体制，对广大百姓宣扬儒道以示政府的怀柔，而对政府内部又施以严酷的刑法来约束大臣。
经文景之治的休养生息等一系列的发展经济与民生政策之后，西汉王朝的国力已蒸蒸日上。汉武帝在承袭这些政策同时，积极准备军事力量的发展。
在军事上，汉武帝先平定南方闽越国的动乱。后开始着手以军事手段代替带有屈辱性质的和亲政策来彻底解决北方的匈奴的威胁。派名将卫青、霍去病三次大规模出击匈奴，收河套地区，夺取河西走廊，封狼居胥，将当时汉朝的北部疆域从长城沿线推至漠北。
在对匈奴的战争同时，采取和平手段和军事手段使西域诸国臣服。丧失肥沃茂盛的漠南地区后，匈奴王庭远迁漠北，这就基本解决自西汉初期以来匈奴对中原的威胁，为后来把西域并入中国版图奠定基础。张骞出使西域，丝绸之路由此而始。
元封六年（前105年）令细君公主嫁乌孙和亲。
在天文历法上一直是汉承秦制，汉初一直推行秦历——颛顼历，以10月为岁首。直至汉武帝太初改历，施行新历法。而春节正是始于太初改历，汉武帝改正朔。
巫蛊之祸
征和元年（前92年），汉武帝住在建章宫，看到一个男子带剑进入中龙华门，怀疑是不寻常的人，便命人捕捉。该男子弃剑逃跑，侍卫们追赶，未能擒获。汉武帝大怒，将掌管宫门出入的门候处死。冬十一月，汉武帝征调三辅地区的骑兵对上林苑进行大搜查，并下令关闭长安城门进行搜索，十一天后解除戒严。巫蛊事件开始出现。
丞相公孙贺之子公孙敬声擅自动用军费1900万钱，事败后被捕下狱。时值汉武帝下诏通缉阳陵大侠朱安世，公孙贺为赎儿子之罪，将朱安世捕获移送朝廷。孰料朱安世在狱中上书，声称公孙敬声与阳石公主私通，在驰道上埋藏木人以诅咒皇帝。汉武帝大怒，公孙贺父子死狱中，满门抄斩。阳石公主、诸邑公主，卫青之子长平侯卫伉相继被牵连入内，被杀。
这时，方士和各类神巫多聚集在京师长安，大都是以左道旁门的奇幻邪术迷惑众人，无所不为。一些女巫来于宫中，教宫中美人躲避灾难的办法，在每间屋里都埋上木头人，进行祭祀。因相互妒忌争吵时，就轮番告发对方诅咒皇帝、大逆不道。汉武帝大怒，将被告发的人处死，后宫妃嫔、宫女以及受牵连的大臣共杀了数百人。
汉武帝产生疑心以后，有一次，在白天小睡，梦见有好几千木头人手持棍棒想要袭击他，霍然惊醒，从此感到身体不舒服，精神恍惚，记忆力大减。江充自以为与太子刘据、卫皇后有嫌隙，见汉武帝年纪已老，害怕汉武帝去世后被刘据诛杀，便定下奸谋，说汉武帝的病是因为有巫术蛊作祟造成的。立即派江充去追查。
江充率领胡人巫师到各处掘地寻找木头人，并逮捕了那些用巫术害人。江充一直搜查到卫皇后和太子刘据的住室，把事先准备好的木头人拿出来陷害太子。此时汉武帝在甘泉宫养病，不在长安。
征和二年（前91年）七月壬午，刘据派人假冒使者收捕江充等人，把江充杀了。苏文逃到汉武帝处，向汉武帝控诉刘据，汉武帝开始并不相信此说，派使者召刘据，但使者不敢到刘据那里，回报汉武帝说“太子反已成，欲斩臣，臣逃归。”汉武帝大怒，下令丞相刘屈氂率兵平乱。刘据带人离去，将长安四市的市民约数万人强行武装起来，到长乐宫西门外，正遇到刘屈髦率领的军队，与丞相军激战五日，死者数万人。长安城有流言说太子谋反，所以人们不敢依附刘据，而刘屈髦一边的兵力却不断加强，最终，刘据势孤力弱而兵败，唯有逃离长安。
汉武帝愤怒异常，唯有壶关三老令孤茂敢上书汉武帝为刘据申冤。
刘据向东逃到湖县（今河南灵宝西），隐藏在泉鸠里。主人家境贫寒，经常织卖草鞋来奉养刘据。刘据有一位以前相识的人住在湖县，听说很富有，太子派人去叫他，于是消息泄露；八月辛亥（初八），地方官围捕刘据；刘据知道自己难以逃脱，便回到屋中自缢而死；主人与搜捕太子的人格斗而死，二位皇孙也一同遇害。
刘据有三子一女，全部因巫蛊之乱而遇害，刘据之子、史皇孙刘进有一子刘病已幸存，尚在襁褓中，后改名刘询，为汉宣帝。
久之，巫蛊事多不信。官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发的，经过调查发现多为有不实。汉武帝颇知当时刘据只是惶恐不安并无谋反的意图，高寝郎田千秋讼刘据冤曰：“子弄父兵，罪当笞；天子之子过误杀人，当何罢哉！臣尝梦见一白头翁教臣言。”于是汉武帝霍然醒悟，立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾对刘据兵刃相加的人也陆续被杀。汉武帝怜刘据无辜，就派人在湖县修建了一座宫殿，叫作“思子宫”，又造了一座高台，叫作“归来望思之台”，借以寄托他对刘据和那两个孙子的思念，天下闻而悲之。
轮台罪己
汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸造成父子相残、太子刘据自杀，种种打击使武帝心灰意冷，对自己过去的所作所为颇有悔意。在登泰山、祀明堂之后，武帝下《轮台罪己诏》说“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”以表示承认自己的错误。天下也因此又逐渐归于和谐，为昭宣中兴的盛世奠定了基础。
托孤霍光
后元元年（前88年），汉武帝叫画工画了一张“周公背成王朝诸侯图”送
给霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。在这段时间里（具体时间不详），刘弗陵的母亲钩弋夫人“因过”受到斥责，忧死于云阳宫。一般认为是子幼母壮，为了防止钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝找借口处死了她。
后元二年（前87年）二月，汉武帝于弥留之际立刘弗陵为太子，四天后的丁卯日，汉武帝驾崩于五柞宫，享年七十岁。三月甲申葬于茂陵（今陕西兴平县东北）。霍光正式接受汉武帝遗诏，成为汉昭帝刘弗陵的辅命大臣，与车骑将军金日磾、左将军上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同辅佐朝政。
刘彻去世后，谥号孝武皇帝，庙号世宗（魏晋南北朝之前，去世的皇帝能否追尊庙号有非常严格的规定，按照“祖有功而宗有德”的标准，开国君主一般是祖，继嗣君主有治国才能者为宗。西汉十四帝，历经211年，仅有四位皇帝拥有庙号，即太祖高皇帝刘邦、太宗孝文帝刘恒、世宗孝武帝刘彻、中宗孝宣帝刘询）。其后继者昭帝（实为霍光掌政）和宣帝坚持执行武帝晚年制定的与民休息的政策，因而在西汉中期出现了被后世称颂的昭宣中兴局面。
汉武帝即位初，一方面政治形势比较稳定，国家经济状况也比较好，另一方面诸侯王国的分裂因素依然存在，边境匈奴袭扰不断，而封建统治思想尚待确立。经济上采纳桑弘羊的主张，由政府直接经营运输和贸易；军事上任用卫青、霍去病为大将，解除了匈奴的威胁，统一今两广一带，推动了经济文化的发展。
加强中央集权
为加强中央集权，武帝接受主父偃的建议，颁布推恩令，即允许诸王将自自己的土地分给子弟，建立较小的诸侯国。内容主要是：诸侯王的王位除了由嫡长子继承以外，还可以用“推恩”（也就是广布恩惠，让更多的人来享受特权）的形式把其他的儿子在本侯国内分封。新的侯国就脱离原来王国的限制，地域独立，而且政治权力也基本被剥夺，受当地郡县官吏的管辖。这样，就使原来独立的地方王国自动地将权力上交给了国家。此后，地方的王与侯仅仅享受物质上的特权，即享用自己封地的租税。但是没有了以前的政治特权。
汉武帝还找借口，一次就削去当时一半的侯国。汉武帝的这些措施奠定了中国大一统的政治格局。
设立中朝
在惠帝、文帝、景帝期间，丞相大多主要是随刘邦打天下的功臣丞相受到礼遇，汉武帝和丞相多有不合，经常会借口打压杀死丞相，导致朝中大臣不愿意接任丞相之职。为贯彻自己的命令，他便设立中朝，尚书台也是这一时期出现的。
汉武帝削弱丞相的权力还有一个很有利的条件，这就是原来做丞相的都是开国的功臣，他们已经年老，或者去世。汉武帝便利用这个有利的时机来让众多的儒生代替元老们，掌握国家政权，同时通过打击丞相来加强自己的权力。在元朔五年（前124年），汉武帝便让平民出身的儒生公孙弘来做丞相，这样就改变了以前总是由贵族来做丞相的惯例。
建立年号
汉武帝是中国历史上第一位使用年号的皇帝，公元前113年汉武帝以当年为元鼎四年，并追改以前为建元、元光、元朔、元狩，每一年号六年。但根据一些出土的文物来看，上面都标有建元、元光等年号，证明建元、元光等年号并非后来追命。
设立刺史
为了进一步加强君主权力，汉武帝用派御史的方式对地方的豪强、官吏进行监督。元封五年（前106年），将全国分成了十三个监察区，每个区叫做部，每部派出一名刺史，中央的刺史叫做司隶校尉，其他十二个州都叫刺史。
刺史的地位在当时是相当高的，相当于钦差大臣，而且是常年的，在地方还有自己的办公地点。就"刺史"名字本身来说，其实它已经具备了这种特点。"刺"即是刺举，也就是侦视不法，"史"是指皇帝派出的使者。
用人方针
刘彻时期留居匈奴十九年持节不屈的苏武
汉武帝时任用官吏是多元化的。汉武帝举贤良方正直言极谏之士对策，武帝亲自策问，选拔人材做官。
元朔五年（前124年）为五经博士置弟子五十人，复其身；地方郡国可按一定条件选送一些人，可受业如弟子。经考试，能通一艺以上，可用作官吏。
二千石以上官吏可通过任子制度使子孙当官；有钱人可通过“赀选”当官，如司马相如；先贤的后裔可以受照顾，如贾谊的两个儿子就被关照当了郡守。然而，尤为突出的是武帝用人惟才是举、不拘一格。如皇后卫子夫是从奴婢中选拔出来的。卫青、霍去病分别是从奴仆和奴产子中选拔出来的。而丞相公孙弘、御史大夫儿宽，以及严助、朱买臣等人都是从贫苦平民中选拔上来的；御史大夫张汤、杜周和廷尉赵禹则是从小吏中选拔出来的。尤其值得注意的是汉武帝任用的一些将军是越人、匈奴人。而金日磾（mì dī）这样一位匈奴的俘虏在宫中养马的奴隶，竟然与霍光、上官桀一齐被选拔为托孤的重臣。这些情况说明汉武帝选拔人才是不受阶级出身与民族差别限制的。
汉武帝用人标准是惟才是举，其在位期间曾于元光元年及元封五年两次颁布求贤诏。“博开艺能之路，悉延百端之学”，“州郡察吏民有茂材异者，可为将相及使绝国者”。意思是只要愿为汉朝事业奋斗，有艺能、有才干的人，能为将相和可以出使遥远国度的人都可任用。
正因如此，汉武帝时人才济济。班固就惊叹地说：“汉之得人，于此为盛！”这种现象的出现是值得认真研究的。
下罪己诏
征和四年（前89年），汉武帝向天下人昭告：自己给百姓造成了痛苦，从此不再穷兵黩武、劳民伤财，甚至表白内心悔意。这就是《轮台罪己诏》。这份诏书，是中国历史上第一份帝王罪己诏。
军事
西汉自汉武帝时期开始，国力强盛，大破匈奴，远征大宛，降服西域，收复南越，吞并朝鲜，设置西域使者校尉正式将西域纳入中华版图，一说汉宣帝设置西域都护才正式将西域纳入版图，西汉版图东抵日本海、南吞交趾、西逾葱岭、北达阴山，奠定了汉地范围；汉武帝时期，张骞出使西域，开辟了丝绸之路，第一次将中国的目光投向了世界，汉使到达了大宛、康居、大月氏、大夏、安息、身毒（即印度）、于阗、扜罙、犁轩等诸国，开拓了连接欧亚大陆的丝绸之路。其中最远到达的犁轩位于埃及亚历山大港，这是汉朝使节到达的最远地区，欧亚非的丝绸贸易就此成型。
汉武帝是中国历史上第一位派大军深入匈奴腹地进行决战的皇帝。通过大量移民在西北边郡屯田，这对反击匈奴战争的胜利、经营西域起了重大作用。李广利伐大宛后，西域南道诸国多臣服于汉，宣帝神爵二年（前60年），匈奴日逐王降汉，匈奴不敢争西域，罢僮仆都尉。宣帝任命郑吉为西域督护，管理西域南、北道诸国，西域诸国臣服于汉。至此，西边直达里海，都成为了汉朝的疆域。
击溃匈奴
对匈奴作战的卫青
汉武帝是中国历史上第一位提出要北方游牧民族———匈奴臣服于中原王朝的皇帝，为此又在今内蒙筑受降城。从公元前133年至119年，汉武帝派兵和匈奴进行了多次作战。其中决定性的战役有三次：河南之战、河西之战和漠北之战。
元光二年（前133年），武帝采纳王恢的建议，派遣李广、公孙贺、王恢、李息、韩安国五将军，率30万汉军，埋伏在马邑附近。又派聂壹出塞与匈奴交易、诱敌。匈奴军臣单于发现这是诱兵之计，便立即引兵撤退。汉朝30万大军无功而返。
元朔二年（前127年），匈奴贵族以两万骑入侵上谷（河北怀来县）、渔阳。汉武帝采取声东击西的策略，派青年将领卫青率3万骑出云中（内蒙托克托县），西至陇西（甘肃东部），收复河套地区，扫除匈奴进犯的军事据点。卫青采取迂回进攻的方法，从后路包抄，一举赶走匈奴的楼烦王和白羊王，解除了长安的威胁。 于是，汉武帝在那里设朔方郡、五原郡，移民10万屯垦，又重新修了秦代的旧长城，派兵驻守。卫青升为长平侯。
元朔五年（前124年），卫青率骑兵赶走了匈奴的右贤王，生擒匈奴王子10余人，凯旋而归。汉武帝破格提升卫青为大将军，成为全军的统帅。 第二年，在和匈奴的战斗中又涌现出一位18岁的将领霍去病。他是卫青的外甥。一次，他一马当先，率领800骑兵突进匈奴营地几百里，取得大胜。汉武帝据此封他为冠军侯，给他造了一座阔气的房子，让他去看。霍去病说：“匈奴未灭，无以家为！”。
元狩二年（前121年）。汉武帝派霍去病出陇西，越过焉支山（甘肃山丹县东南胭脂山）西进，入匈奴境千余里，和匈奴军短兵肉搏，大获全胜。同年夏天，霍去病第二次西征，越居延泽（内蒙古居延海），攻到祁连山，大破匈奴军，河西的匈奴贵族损失惨重。同年，匈奴贵族内部分裂，浑邪王率四万人降汉。这次战役后，汉在这里置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，历史上称“河西四郡”。从此打开了汉通西域的道路。
卫青霍去病辽西大败匈奴
元狩四年（前119年）的漠北战役规模最大。汉武帝派卫青、霍去病率10万骑兵，几十万步兵，分别从定襄郡（内蒙呼和浩特东南）和代郡（河北蔚县）出发，共击匈奴单于（匈奴首领）于漠北。卫青北进千余里渡过大沙漠（戈壁沙漠），直抵阗颜山（蒙古杭爱山脉），歼敌1.9万余人。霍去病深入1000多公里，追击匈奴左贤王兵到狼居胥山（蒙古肯特山），俘敌7.4万余人，饮马瀚海，到达今天的贝加尔湖（俄罗斯）。漠北之战给匈奴以致命打击，出现了“匈奴远遁，漠南无王庭”的局面。从此，匈奴北徙漠北并西迁。汉北自朔方，西至令居（甘肃永登），以60万吏卒屯田，加强防守。 汉武帝取得抗击匈奴的战争的胜利，使国家更加统一，长城内外“马牛放纵，畜积布野”，为经济文化的发展创造了极为有利的条件。匈奴帝国开始走向衰落。
开拓西域
远征大宛：大宛，地处乌兹别克费尔干纳盆地，张骞出使西域后，汉武帝为了得到汗血马于是命使者，带黄金二十万两及一匹黄金铸成的金马去大宛国都，求换汗血马。但大宛国王毋寡以汗血马为大宛国宝而拒绝，汉朝使节就在毋寡面前，破口大骂，并把金马击碎，掉头而去，毋寡因而大怒并杀死使团，夺走金银财宝。汉武帝闻使者被杀，财物被劫，不禁大怒，立命李广利任贰师将军，发兵数万远征大宛。太初四年（公元前101年），汉武帝命李广利远征大宛。汉军人多势众，声势浩大，沿途小国不敢对抗，纷纷开城出迎，供给食粮和饮水。只有轮台（新疆轮台）抗拒汉军，闭城紧守。汉军攻数日，破城，屠轮台，此后无人敢挡。直袭大宛都城贵山城，首先切断其水源，然后将贵山城团团包围，日夜攻打，破其外城，杀大宛勇将煎靡。大宛统治集团内部终于发生内讧，其贵人多怨大宛王毋寡，于是共同杀死毋寡，遣使持毋寡首级赴汉营求和，表示愿将良马驱出供汉军挑选，从此大宛服属西汉。
李广利命搜粟都尉上官桀攻打郁成城。经过激战，郁成城守军终于抵敌不住，战败投降，郁成王逃往康居。上官桀率军追至康居，向康居要人。康居见大宛已破，遂将郁成王交与上官桀。上官桀手下上邽骑士赵弟在途中杀郁成王。汉军击败大宛，威震西域。西域诸国纷纷遣子弟入汉贡献，并作为人质。西域臣服。
车师（姑师）之战：元封三年（前108年），汉武帝令从票侯赵破奴击破姑师，威震乌孙、大宛等西域诸国。征和四年（前89年），汉武帝令重合侯莽通（一称马通）率4万骑兵击匈奴，途经车师北。莽通令成娩率军中楼兰、尉犁、危须等西域6国兵，进攻车师，以扫除大军前进的障碍。6国兵将车师团团包围，车师投降，臣属于汉。
楼兰之战：元封三年（前108年），汉武帝命从票侯赵破奴率兵数万击姑师（车师）及楼兰。姑师也多次袭杀汉使。赵破奴令数受楼兰追杀、拦截之苦的王恢为先锋，率700人，攻破楼兰，俘楼兰王。楼兰降服于西汉。
龟兹之战：汉武帝通西域后，李广利破大宛回军途经扞弥，恰逢赖丹要去龟兹为质。李广利派人责问龟兹王，龟兹王听从姑翼之议，派兵攻杀赖丹，后又害怕，遂上书谢罪。宣帝本始三年（前71年），长罗侯常惠，监护乌孙发兵5万大破匈奴后，回朝途中，上书请击龟兹，以偿杀赖丹之罪，常惠调集龟兹以西诸兵2万人，又遣副使调集龟兹东面诸国兵2万人，令乌孙发兵7千，从三面进击龟兹。龟兹王极为惊恐，急忙相告，杀赖丹是前王听信贵人姑翼所干，于己无关，并执姑翼来见常惠。常惠斩姑翼，罢兵。
莎车之战：汉武帝通西域后，莎车与西汉建立了友好关系，不断遣子入汉为质。汉宣帝元康元年（公元前65年），卫候冯奉世护送大宛等国使臣回国，途经鄯善国伊脩城，驻守于此的汉都尉宋将向他报告了莎车的不轨行为。此时，西域都护郑吉在北道诸国间。冯奉世与副使严昌商议，认为如不立即攻莎车，待其势力强大将难以制服，那样必然危及汉在西域的统治。于是冯奉世下令调集诸国之兵，进击莎车，破莎车城，呼屠征自杀。冯奉世另立莎车王其他昆弟为王。其余诸国叛乱也被平息，恢复了西汉在这里的统治。
征服朝鲜
汉武帝雕像
元封二年（前109年），汉武帝派兵由水、陆两路进攻，灭亡盘踞在朝鲜半岛北部的卫氏朝鲜。元封三年（前108年），汉武帝统一其旧域后，在那里划分地方行政区域，设置了乐浪郡（约在今朝鲜平安南道，治所朝鲜县城是故卫氏朝鲜都城王险城，位于今平壤大同江南岸）、玄菟郡（约在今朝鲜咸镜道）、真番郡（约在朝鲜黄海道、京畿道各一部）、临屯郡（约在今朝鲜江原道），史称“汉四郡”。四郡其下各辖若干县，郡县长官由汉朝中央派遣汉人担任。很显然，“汉四郡”的设置，说明汉武帝已经将朝鲜半岛北部地区纳入了汉帝国的统治范围。
开拓闽越
汉武帝元鼎五年春，杀南越王、王太后及汉使，歼灭韩千秋军。是年秋，武帝遣路博德、杨仆等兵分五路沿水道征讨南越。元鼎六年冬，汉军攻克南越国都番禺，生擒南越王相吕嘉。南越亡。汉在南越设立南海，儋耳、珠奎、苍梧、玉林、合浦、交趾、九真、日南9郡。元鼎六年秋，武帝下令分兵征讨东越。至元封元年（前110年），各路汉军进至东越国境，原越建成侯敖与繇王居股合谋，杀余善降汉。武帝鉴于闽越地势险恶，其人又多次图谋反汉，诏命各路将领将当地民众迁徙到江、淮地区。闽越遂亡。至此，长期处于半割据状态的东越、南越地区，均归属汉朝，南边的疆域到达今天越南的南部。
开拓西南
汉建元六年（前135年），汉武帝武帝乃拜唐蒙为郎中将，从巴蜀笮关入夜郎，招降了夜郎侯多同，将其地划入犍为郡。蜀郡西部的邛、笮（西夷）部的君长亦请求归附，“如南夷（夜郎）例”“蜀人司马相如亦言西夷邛、笮可置郡”。于是汉朝于元光五年（公元前130年）命司马相如使西夷，在西夷邛、笮地区设一都尉，10余县，均属蜀郡管辖。
元狩三年（前120年），汉朝积极准备重新开拓西南夷，元鼎六年（公元前111年），汉朝军队平南越，接着“行诛隔滇道者且兰，斩首数万，遂平南夷为牂牁郡。夜郎侯始依南粤，南粤已破，还诛反者，夜郎遂入朝。上以为夜郎王”。汉朝全部控制了夜郎地区。接着又诛反抗汉朝的邛君、笮侯，冉駹等部皆震恐，请求置吏，汉朝便“以邛都为粤（越）嶲郡，笮都为沈黎郡，冉駹为文山郡，广汉西白马为武都郡”。将蜀西部的西夷地区完全纳入汉朝的统治之下。
汉朝曾以诛南夷兵威招降滇王，但遭到滇的联盟诸部劳浸、靡莫的反对，汉朝便于元封二年（公元前109年）出兵击灭劳浸、靡莫，“以兵临滇，滇王始首善，举国降，请置吏入朝”。于是汉朝在滇国境内设益州郡，赐滇王印，令其复长其民。至此，汉朝基本上将西南夷地区纳入其统治范围。
汉武帝平定南越后，首次在今海南岛置儋耳郡、珠崖郡，统治了今天的海南岛与南海诸岛的地区。
经济
改革币制
汉武帝统治时期，由于对外征伐不断，中央财政从此前“京师之钱累巨万，贯朽而不可校”的丰盈一变而为入不敷出的困局。“而富商大贾或蹛财役贫，转榖百数，废居居邑，封君皆低首仰给”。富商大贾富可敌国，恰与窘困的中央财政形成了鲜明对比。中央政府除了靠鬻武功爵等方式快速增加财政收入外，“冶铸煮盐，财或累万金，而不佐国家之急，黎民重困。于是天子与公卿议，更钱造币以赡用，而摧浮淫并兼之徒。”增加中央财政收入，打击大商人，此即汉武帝币制改革的初衷。故汉武帝即位后，为了中央政府在经济管理和政治统治上的需要，便十分重视解决币制问题，先后进行了六次币制改革，基本解决了汉初以来一直未能解决的币制问题。一方面稳定了金融，另一方面将地方的铸币权重新统一于中央。六次改革后三官五铢的发行一举解决了困扰西汉金融多年的私铸、盗铸问题，汉武帝的币制改革至此取得了较大成功。
盐铁官营
盐铁官营自汉代延续到现代，盐铁茶主要仍由政府及国企控制。这项制度实施，使国家独占国计民生意义最重要的手工业和商业的利润。
文化上，采纳董仲舒“罢黜百家，表彰六经”的建议；刘彻能诗善赋，重用四方文人贤士、重视文化建设。历史上第一次由政府下令在全国范围内征集图书，广开献书之路。又建藏书之策，置写书之官，各类图书，皆在数十年间广充秘府，史称“书积如丘山”。当时政府藏书处所有“太常”、“太史”、“博士”之藏，皇宫有“延阁”、“广内”、“秘室”之府，藏书达33090卷。皇室和政府藏书空前丰富。这是中国历史上第一次明确记载的国家图书馆。
独尊儒术
汉武帝采取董仲舒的”独尊儒术“。
中华民族发展史上汉武帝创造了数个第一，听取董仲舒的建议，“罢黜百家，表彰六经”就是把儒家学说作为封建正统思想，持法家，道家等各家学说的读书人，均受排斥，武帝还大力推行儒学教育，在长安举办太学。太学是中国古代最高学府，以儒家五经为主要教材，不学习其他各家学说。“罢黜百家，表彰六经”在中华传统文化舞台上独领风骚两千余年，受到历代统治者所推崇。但是汉武帝并非限制其他各家的发展，只是大力提倡儒家的发展儒法结合，即所谓的“儒表法里”。比如夏侯始昌既研习儒家又通晓阴阳五行家；宰相公孙弘兼治儒法两家；主父偃以纵横家起家；耿直的汲黯司马谈司马迁以黄老学说起家。
汉武帝在独尊儒术时，又“悉延（引）百端之学”，形成了在以儒家思想为统治思想的同时，又兼用百家的格局。
太初改历
汉武帝是第一位在统一的国家制定、颁布太初历的皇帝，以正月为岁首这一点，一直沿用至今。
中国汉初以前，主要采用“古六历”（黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁）中的《颛顼历》。太初元年（公元前104年）改太初历，以正月为岁首，色尚黄。《太初历》的制订是中国历史上具有重要性的一次历法大改革，是中国文明在世界天文学上的不朽贡献。《太初历》的科学成就，首先在于历法计算上的精密准确。
创立太学
汉武帝创建太学、乡学，设立举贤制度，形成了中国独特的文官制度。
乐府
乐府一名本指管理音乐的官府。汉武帝在掌管雅乐的太乐官署之外，另创立乐府官署，掌管俗乐，收集民间的歌辞入乐。“采诗夜诵，有赵、代、秦、楚之讴”、“以李延年为协律都尉，多举司马相如等数十人造为诗赋，略论律吕，以合八音之调，作十九章之歌”。后人把乐府机关配乐演唱的诗歌，也称乐府。
地理
汉武帝时期出现了秦统一后中国见于史籍记载的《舆地图》，元狩四年四月丙申，“太仆臣公孙贺行御史大夫事……奏舆地图，请所立国名。
沟通西域
汉武帝派张骞通西域，打通了丝绸之路，促进了中、西双方的经济、文化交流。这在中国史上属首次。从西域胡（黄）瓜、胡豆、胡麻、石榴、胡萝卜、葡萄、汗血马、核桃、苜蓿种植，从大宛引进了良种马———天马，西域的乐曲、魔术传至中国。
中国传出了冶铁术、凿井术、丝绸制造、漆器制造等技术，井渠法作龙首渠，后传入今中国新疆地区，并进而入波斯等地。中原大量的丝织品和金属工具向西输送，铸铁技术，井渠法也传到西域，历史意义重大。
开辟丝绸之路
开通西域的张骞塑像
西域同内地的联系开始于遥远的历史年代，到公元前2世纪左右，西域分为三十六国，互不统属。在天山以北的准噶尔草原有乌孙、且弥等国；在天山以南，昆仑山以北的塔里木盆地地区，又分为南道诸国和北道诸国。
北道诸国有龟兹（新疆库车）、疏勒、焉耆（新疆焉耆）、车师（新疆吐鲁番）等较大的国家。南道诸国有莎车（新疆莎车）、于阗（新疆和田）、楼兰（新疆罗布泊西）等国。
汉武帝任命张骞为中郎将，率领三百多随员，携带大批金币丝帛以及牛羊向西域进发。张骞到达乌孙后，原定目的虽未达到，大宛、康居、月氏、大夏等国。
元鼎二年（前115年）张骞回来，乌孙派使者几十人随同张骞一起到了长安。此后，汉武帝派出的使者还到过安息（波斯）、身毒（印度）、奄蔡（在咸海与里 海间）、条支（安息属国）、犁轩（附属罗马的埃及亚历山大城），中国使者还受到安息专门组织的二万人的盛大欢迎。自此，丝绸之路正式开通。开辟了链接东到长安，西到罗马帝国，最远至埃及亚历山大的贸易通道。
丝绸之路
元封三年（前108年），汉武帝命赵破奴率军进攻楼兰、车师，并在酒泉（甘肃酒泉）至玉门关一带设立亭障，作为供应粮草的驿站和防守的哨所。
太初元年（前104年）汉武帝派李广利出征大宛，击败大宛后，西域的交通更加通顺。西汉又在楼兰、渠犁（新疆塔里木河北）、轮台（新疆库车县东）等地设校尉管理屯田，这是汉在西域最早设置的军事和行政机构，实际上西域已经正式纳入中华版图。
元封二年（公元前109年），汉武帝亲临现场督察堵塞黄河瓠子决口。
汉武帝
汉武帝是中国封建王朝中最杰出的君主之一，奠定了汉王朝强盛的局面，成为中国封建王朝第一个发展高峰，还开辟了辽阔的疆域，奠定了汉地的基本范围。
《汉书》评叙刘彻“雄才大略”，《谥法》说“威强睿德曰武”，就是说威严，坚强，明智，仁德叫武。在中国历史书内，“秦皇汉武”经常互相衔接。他的功业，对中国历史进程和之后西汉王朝的发展影响深远。
汉武帝是第一个用“罪己诏”进行自我批评的皇帝。敢于罪己，置自己过失于天下舆论中心，汉武帝无疑是第一人。至此，后代皇帝犯了大错，也会下“罪己诏”，公开认错，展示明君姿态。
封建专制体制下，人才使用有两大陋习：一是任人唯亲，只用自己熟悉亲信的人；二是论资排辈，必须按“三十九级台阶”，一级一级往上爬，不能“乱”了规矩。而汉武帝一不会因言废人：只要有才华，主父偃持不同政见，汉武帝照样求贤若渴；二是敢于破格提拔：因为有能力，卫青家奴出身，汉武帝竟然破格提拔。
不仅如此，汉武帝甚至摈弃正统，容纳异类，慧眼发现东方朔，将庄严的朝堂变成一个充满温情和快乐的休息室，君臣之间宛如玩伴；同时，他不以狎亵而丧失原则，对东方朔的诤言击节赞叹，适者听从。他初读《子虚赋》，即大为倾慕；得见作者司马相如，如获至宝，让他享受与自己同等的写作待遇。能识人、能容人、能用人。
汉武帝开创了空前的丰功伟绩，但晚年的穷兵黩武和巫蛊之祸为其留下负面的污点，不过之后敢于直面自已的过失，重拾汉初的息兵养民、轻徭薄赋的国策，为之后西汉极盛之世的孝宣中兴奠定了基础，可谓善始善终。
《汉书》：“孝武初立，卓然罢黜百家，表章六经，遂畴咨海内，举其俊茂，与之立功。兴太学，修郊祀，改正朔，定历数，协音律，作诗乐，建封禅，礼百神，绍周后，号令文章，焕然可述，后嗣得遵洪业，而有三代之风。如武帝之雄才大略，不改文景之恭俭以济斯民，虽诗书所称，何有加焉。”