元鼎六年（公元前111年），南越已破，而汉八校尉兵尚未出发。汉武帝命中部将郭昌、卫广在还军途中，引兵攻打且兰、邛笮。夜郎、冉雟震恐，都表示臣服。夜郎入朝，武帝封为夜郎王，冉雟也请求朝廷在其管辖地设置官吏。于是，汉武帝在西南夷地区相继设郡置县，行使直接统治。在且兰设置牂柯郡（治故且兰，今贵阳附近），以邛都为越雟郡（治邛都，今四川西昌），笮都为沈黎郡（治笮都，今四川汉源），冉駹为汶山郡（治汶山，今四川茂汶），白马为武都郡（治武都，今甘肃和县）。
乘着击破南越和南夷的兵威，汉武帝命令王然于劝滇王入朝。滇东北的劳深、靡莫相互依倚为援，阻拦滇王入朝，多次侵犯汉朝使者吏卒。元封二年（公元前109年）秋，汉武帝仍然命令郭昌、卫广征集巴蜀士兵攻灭劳深、靡莫，滇举国投降，并请求由汉置吏并朝见汉天子。汉武帝赐滇王印，令其统率部众数万人，以其地置益州郡（治滇池，今云南晋宁）。至此，西南夷正式并入汉帝国版图。
汉朝打通西南夷后，设置五郡，想借此道联通大夏国，每年派遣十余批使者从西南夷出发，欲通使大夏，然而，都为昆明阻拦，财物被抢，使者被杀。汉武帝大怒，下诏赦免关在京师监狱里的亡命之徒，组成军队。元封六年（公元前105年），遣将军郭昌率领这支军队出击昆明，消灭夷军数十万，平定昆明。以后武帝又数次遣使，欲通大夏，然而终莫得通。
当时，汉武帝已经灭了两越，又平定西南夷，新设十七个郡。新设立的郡均按原来的风俗治理，不加以过多的改变，同时还不收赋税，新设郡县的各级官吏的俸禄、用具，都由郡县供给。这样，南阳、汉中一带因为要提供广大新设郡县的吏卒俸食和车马用具、其他用具，负担很重。而新设郡则往往反叛朝廷，攻杀汉所置官吏，朝廷屡屡征发南方郡吏卒出击，每年要一万人，费用巨大，全靠大司农支持。大司农因为实施均输法、盐铁官营等政策获得很多利益，才能够补充如此巨大的消耗。
汉通西南夷，尽管给广大汉族人民带来了沉重的负担，对于西南夷地区也带有某种程度的侵略，但同时，也给西南地区各族人民带去了汉族人民先进的政治、经济、技术、文化，促进了西南地区的开发和发展。