治水弭灾，古代中国传统上看作是关乎“国之利害”的首要民政，也视为执行天的意志和国家的责任所系。武帝也不例外，他十分注意兴修水利。一旦发生水灾，武帝就委派公卿大臣负责治水。
由于重视水利，武帝一代的江河流域的灌溉工程获得很大的发展，开通了渭渠、龙首渠、白渠以及灵轵渠、成国渠、漳渠等渠道。元光六年（前129）春，武帝采纳大司农郑当时的建议，调发卒数万，按齐人水工徐伯的设计，开凿从长安到华阴（今属陕西）三百多里的直渠，引渭水入渠通河，穿渠处竖标以为记。渭渠历时三年开通，溉田万余顷。其后采纳河东郡守番系建议，发卒数万，引汾水入河穿渠，开发了五千顷荒芜地。后因黄河改道，渠田都废坏。又从庄熊羆言，开凿由征县引洛水到商颜山麓的龙首渠（施工中掘出恐龙化石，故名），以灌溉万余顷卤地。开龙首渠用穿井法，井深四十余丈，井下相通行水。它开创了后代隧洞竖井施工法的先河。
武帝极为重视治理黄河。汉初六十余年中，黄河比较稳定，仅文帝十二年决过一次口，旋即堵塞。武帝元光三年（前132）三月，黄河自顿丘（今河南清丰西南）改道东南流入渤海。五月，在濮阳（今河南濮阳西南）瓠子决口，再移道东南注钜野泽通淮河、泅水，泛滥成灾。
武帝即命主爵都尉汲黯、詹事郑当时发卒十万修堵，几次堵塞，几次冲决。河东南受灾，河北的郇却得益。国家的经济亏损并不一定直接影响统治阶级的部分或个别成员的利益。鄃县（今山东平原西南）是当政的丞相田蚧的食邑，目光短浅的田蚧只要自己得益，对武帝说：“江河之决皆天事，未易以人力强塞，强塞之未必应天。”望气用术的方士支持田蚧的说法。朝廷由于受了天人感应观念的影响和制约，因而没有继续堵填决口。直到元封二年（前109）四月，封禅刚过，天旱少雨，武帝以为天意干封，才再派遣汲仁、郭昌发卒数万大治黄河。武帝亲临工地，沉白马玉璧，作《瓠子歌》，并命随从百官都参加治黄工程劳动。决口终于堵塞，筑宫其上，名日宣房，黄河恢复故道。武帝又命由瓠子引黄河水北开二渠。此后，梁、楚之地再不受河灾了。武帝还治理陕西的褒水、斜水，在两水之间作长五百余里的褒斜道。
武帝亲临瓠子治河，有很大的象征意义和号召性，水利灌溉事业因此普遍展开，迅速发展。“自是之后，用事者争言水利。朔方、酉河、河西、酒泉皆引河及川谷以溉田。而关中灵轵、成国、汚渠引诸川，汝南、九江引淮，东海引钜定，泰山下引汶水。皆穿渠为溉田，各万余顷。它小渠及陂山通道者，不可胜言也。”太始二年（前95）武帝又采纳赵中大夫白公的建言，引泾水开凿二百余里的长渠，为著名的白渠，溉田四千五百余顷。
武帝兴修水利有明显的经济目的。一是要便利漕运，损漕省卒。二是要灌溉民田，增加土地肥力，改善生产条件。三是备旱消灾防灾。概括而言，是令民勉农。郑当时开渭渠的建议说得很明确：“异时关东漕粟从渭中上，度六月而罢，而漕水道九百余里，时有难处。引渭穿渠起长安，并南山下，至河三百余里，径，易漕，度可令三月罢；而渠下民田万余顷，又可得以溉田：此损漕省卒，而益肥关中之地，得谷。”元鼎六年（前111）左内史兄宽奏请穿凿六辅渠，武帝说：“农，天下之本也。泉流灌寝，所以育五谷也。左、右内史地，名山川原甚众，细民未知其利，故为通沟渎，畜陂泽，所以备旱也。……令吏民勉农，尽地利，平徭行水，勿使失时。”所谓令吏勉农，实际就是要稳定和巩固小农经济，发展全社会的农业生产，并使小农勤于耕织，安土重迁，不致饥贫破产，卖妻鬻子，成为流民，逃亡山林。
武帝之重视治水，除了出于代天行意的传统观念，还基于对水利所具的国计民生意义的认识。“波斯和印度的专制帝王，兴亡起伏，不知多少次，他们都始终不忘他们最首要的责任，就是注意江河流域底灌溉工程，没有这种灌溉工程，就不能在这些国家里从事农业。”恩格斯这段分析，也适用于汉武帝。王夫之不明白这个道理，因此，只能得出“瓠子宣防，数十年之涂饰，为戏而已矣”这样武断的结论。
应当说，武帝达到了兴修水利的目的。水利事业的发展，对安定社会秩序和生产秩序起了相当程度的促进和保证作用，国家得以不失时地向小农榨取劳动产品——钱粮帛。朝廷大获其利，农民也稍受其益。
《沟洫志》说白渠使“民得其饶”，民作歌赞之说：
田于何所？池阳、谷口。
郑国在前，白渠在后。
举臿为云，决渠为雨。
泾水一石，其泥数斗。
且溉且粪，长我禾黍。
衣食京师，亿万之口。
这是一幅生动的勉农图。灌溉工程肥沃了土壤，农民力田勤耕，增加了收成，供给了京师的粮食。吏民勉农，民得其饶，就业安居，社会问题减少，部分地缓和了社会矛盾。
武帝即位后，天灾频仍。即位之初数年间，连年歉收。建元三年（前138），河水溢于平原（郡治今山东平原县西南）。四年（前137），旱灾。五年（前136），蝗灾。六年（前135），河内（郡治怀县，今河南武陟西南）火灾。元光三年（前132），黄河决口，附近十六郡受灾二十多年。五年（前130），螟灾、风灾。六年（前129）大旱灾、蝗灾。元朔五年（前124），大旱灾。元狩四年（前119），关东大水灾。
六年（前117），大蝗灾。元鼎二年（前115），关东大水灾，十余郡国受害。六年（前111），河灾。元封四年（前107），大旱灾。六年（前105），大旱灾、蝗灾。太初二年（前103），蝗灾。天汉元年（前100），大旱灾。太始二年（前95），旱灾。征和元年（前92），大旱灾。二年（前91），大风灾、地震。三年（前90），蝗灾。后元元年（前88），地震。
终武帝世，天灾不断。它影响民生，产生了大量的贫民、饥民、流民。如建元三年（前138）的河灾，造成大饥荒、人相食。元鼎二年（前115），平原、勃海、泰山、东郡遍被灾害，民饿死于道路，灾区饿死者千万数。元封四年（前107），关东流民有二百万口，无户数即无籍、脱籍的有四十万。西汉人口在平帝时（公元1-5年），户千二百二十三万三千六十二，口五千九百五十九万四千九百七十八，这是最殷盛时的数字，经过二百余年的发展才达到的，武帝时决无此数。元封四年（前107）与平帝元始二年（公元2年）相距一百零九年。如果假设每年户口自然增长率为百分之一，那么，元封四年（前107）为户四百三十余万，口为二千一百万弱。关东流民及无户数者就占全部户口数的百分之十。这个推算可能有上落，但大致可以肯定，上落不会太大。如此大量的贫民、饥民和流民，势必“城郭仓廪空虚”，“摇荡百姓”，而且还要助长土地兼并势力的发展。因此，它对社会生产、国家财政收入、社会秩序以及政权的巩固都有极大的影响。这是个严重的社会问题。
天灾加上人祸，饥民、流民问题很容易发展为阶级矛盾、社会矛盾，所谓“官旷民愁，盗贼公行”。景帝末年，社会风俗渐薄，刑法渐苛，酷吏郅都、宁成之辈出现，说明已酝酿着社会矛盾。及至武帝时期，军旅数发，征伐西夷，朝廷多事，酷吏盛行，遂使社会问题转化为社会矛盾，使社会矛盾日益暴露、步步加深。所谓“孝武即位，外事四夷之功，内盛耳目之好，征发烦数，百姓虚耗，穷民犯法，酷吏击断，奸轨不胜。”《汉书·刑法志》的这个说法，很能说明问题的严重。类此说法，《循吏传》、《严助传》等也都有记述。待到武帝后期，已达比较普遍地出现铤而走险，逃亡山林，公开反抗朝廷的“盗贼”的地步。天汉二年（前99）秋，南阳郡有梅免、百政起义，楚有段中、杜少起义，齐有徐勃起义，燕赵之间有坚卢、范主起义。征和三年（前90）九月有公孙勇、胡倩起义。大的有数千人，自立旗号，攻城掠地，取库开狱，杀官檄告。小的聚众百数，转战乡里，更是不可胜数。
严重的社会问题，暴露出来的社会矛盾，随着日益激化，势必造成社会危机、政治危机。对此，统治阶级中如董仲舒、徐乐都有一定认识，视为“土崩之势”。早在元朔元年（前128），徐乐就上书说：
臣闻天下之患，在于土崩，不在瓦解，古今一也，何谓土崩？秦之末世是也，陈涉无千乘之尊、尺寸之地，身非王公、大人、名族之后，无乡曲之誉，非有孔、曾、墨子之贤，陶朱、猗顿之富也，然起穷巷，奋棘矜，偏袒大呼，天下从风。此其故何也？由民困、而主不恤，下怨而上不知，俗已乱而政不修、此三者，陈涉之所以为资也，此之谓土崩。故曰天下之患在乎土崩……间者，关东五谷数不登，年岁未复，民多穷困，重之以边境之事；推数循理而观之，民宜有不安其处者矣。不安，故易动；易动者，土崩之势也。
灾荒之年，民多穷困，朝廷不恤民生，不修民政，还要劳民，必然使人心易动，脱籍、逃籍而去，酿成“土崩之势”。武帝见书即拜徐乐为郎中，说明他也接受了这个认识。
武帝采取两种政策处理这些社会问题和社会矛盾。对于“犯法”之民及已危及政权的“盗贼”，他运用酷吏苛法，无情镇压，即习惯上称为霸道，称为威猛的一手。