汉武帝派卫青夺取了河南地，设立了朔方郡，匈奴不甘心失败，数次派兵欲夺回朔方郡，都以失败而告终。公元前124年，汉武帝派卫青主动出击，打败匈奴右贤王，于是于军中拜卫青为大将军。虽然经过数次对匈奴的打击，但是匈奴依然猖獗，侵略代郡，攻打雁门，掠夺上郡、定襄的百姓。边境百姓苦不堪言，大汉边防受到威胁。于是于第二年即公元前123年，汉武帝再次任命卫青为帅攻打匈奴，兵分六路，由卫青统一指挥。六路人马是:前将军赵信领一路，后将军为李广，公孙贺为左将军，苏建为右将军，公孙敖为中将军，李沮为强弩将军。六路大军统一由卫青调度，从定襄出发，向北进攻。
大军浩浩荡荡向北进发，这次卫青的外甥霍去病也跟随舅舅一同出征。对于这次出征，霍去病跃跃欲试，几次向汉武帝请战，最终同意他随舅舅卫青出征，被任命为骠姚校尉。几路人马进攻匈奴大军，各有胜负，唯有骠姚校尉霍去病功劳最大，以区区八百骑兵深入腹地，杀敌数千，夺取了河套地区。由于这次出征霍去病出奇制胜，勇冠三军，被武帝封为冠军侯，从此霍去病开启了自己对战匈奴的辉煌战史。
公元前121年春，汉武帝决定进行河西战役，由于霍去病的勇武，被任命为骠骑将军，率军攻打匈奴，收复河西走廊。霍去病在阵前斩杀折兰王、卢侯王，汉朝大军大获全胜。自此霍去病大名匈奴尽知。为了彻底全部扫除匈奴在河西地区的势力，打通进入西域之路，汉武帝发动了第二次河西战役。
此次战役，武帝派霍去病、公孙敖为西征主力，率领数万骑兵从北地郡出发，加派李广、张骞率一万多人从右北平出发配合西征主力军。霍去病与公孙敖出塞后，兵分两路，由于公孙敖路途中迷失方向，没有实际参加战斗，霍去病只好孤军深入，长途奔袭，祁连山麓一战，打败匈奴。经过两次河西战役，汉王朝完全控制了河西地区。霍去病地位日益显赫，在朝中地位直比卫青，声望几近相当，贵为骠骑将军。
此时匈奴主力远逃漠北，漠南就没有匈奴的王庭了，汉朝西部的威胁彻底解除，通往西域的道路完全被霍去病打通。但匈奴主力时不时地侵扰汉朝边境，掠夺百姓。于是汉武帝决定远征漠北，彻底消灭匈奴军队。于公元前119年春夏之际派遣十万大军，由卫青霍去病各领五万大军分两路挺进漠北进剿匈奴大军。卫青率领一支大军从定襄出发，向北行进一千多里，与匈奴伊稚斜单于主力激战，并且大胜匈奴单于。霍去病带领另一路大军越过离侯山，渡过弓闾河，经过两千多里行军向匈奴左贤王大军发起猛攻，全歼匈奴左贤王军。此次出征匈奴，由于霍去病战功卓著，被拜为汉庭大司马，与其舅舅卫青共掌汉朝兵马，位极三公，地位无比尊贵。可惜霍去病英年早逝，公元前117年因病去世，时年才刚刚24岁。
武帝时期，由于卫青的七战七捷以及霍去病的四次出塞大捷，基本奠定了后来大汉北部方向边境的稳定。武帝任用大将卫青霍去病北境平四夷，东境任用左将军荀彘兵灭朝鲜，南境任用伏波将军路博德、楼船将军杨仆平南越，使大汉朝疆土达到汉朝历史上最大范围。汉武帝的武治成就也是400年汉朝帝王中最高的。不仅如此，在政治和经济上的改革也是前所未有的，也为西汉后世的昭宣中兴打下良好基础。政治上采用主父偃的推恩令，削弱了地方王权，加强了中央皇权，使得政令下通，建立了中央集权的巩固统一的西汉帝国。文化上采取董仲舒的建议“罢黜百家独尊儒术”，使儒家思想正式成为封建统治的正统思想。经济上，推广代田法，发展农业。
这里还得穿插一个西汉历史上很重要的一个事:武帝采纳主父偃的建议，推行推恩令。
汉高祖刘邦为巩固刘姓汉王朝的统治，大封同姓王，结果造成了地方王国实力大增，威胁中央皇权。文景两帝开始致力于削弱地方封王的权利，使诸侯王的势力受到很大的削弱，加强了中央皇权，但到武帝时还没有完全摆脱地方封王的部分威胁。汉武帝元朔二年（即公元前127年)，主父偃上书武帝，建议推行推恩令，以消王权。所谓推恩令，即规定诸侯王死后，嫡长子继承王位，其他子弟分割王国部分土地为列侯，但列侯不再受命于王国，由中央下辖的郡直接管辖。这样一来，一代一代之后，王国越来越小，直至消亡，最后郡县制就取代了分封制。