元封三年，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。
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（公元前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。
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。
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。公元前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。
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。
公元前135年（汉建元六年），汉武帝武帝乃拜蒙为郎中将，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”。于是汉朝于公元前130年（汉元光五年）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。前120年（元狩三年），汉朝积极准备重新开拓西南夷，前111年（汉元鼎六年），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，汉朝便于前109年（汉元封二年）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。
开拓疆土，穷兵黩武
在对外政策及措施方面，汉武帝雄才大略，他开疆拓土，威震四方，巩固和发展了多民族统一帝国。汉初实行“无为”政治，在一定程度上加强了汉族与少数民族之间的经济文化上的联系，为以后发展统一的多民族封建国家创造了有利条件，但这种政治也助长了西北边疆和蒙古高原匈奴贵族的贪婪性和掠夺性，给西汉边疆的吏民带来了很大的灾难，也给西汉的政权造成了很大威胁。从汉高祖在白登受包围以后，汉朝对匈奴一直采取“和亲”政策。这种“和亲”，实际上是一种妥协，不但要把汉朝皇室的女儿嫁给匈奴单于，每年还得送给匈奴许多财物。但是，即使这样做，匈奴贵族还是经常侵犯中原，杀害百姓，掠夺粮食和牛羊，使北方地区不得安宁。汉武帝刘彻当然不能视之为平常，一心要想改变这种屈辱的地位。
汉武帝采纳将军王恢的建议，派王恢、韩安国、公孙贺、李广等将军带领三十万人马，在马邑袭击匈奴。又派人去引诱匈奴进攻马邑。匈奴单于亲自带领十万骑兵来犯，到了离马邑大约一百多里地的武州地方，匈奴单于打下一座亭堡，抓住守在那里的亭尉，威胁他说：“你把情况老实告诉我！要是说半句谎话，我马上把你的头砍了。”那亭尉吓得要命，就把汉兵布置的埋伏全都告诉了单于。单于一听，大吃一惊，赶快命令全军撤退。出了武州地界，他才喘口气说：“幸亏我抓到亭尉，真是好险哪。”埋伏在马邑的汉军只好空手而归。
汉武帝的谤击战没有成功。但是，打那以后，汉朝和匈奴的和亲关系破裂，接连发生了大规模的战争。
匈汉战争中，汉武帝手下接连出现几位著名的将军：李广、卫青和霍去病。李广号称“飞将军”，在对匈奴的作战中，李广留下了一个流传千年的故事。
有一次，李广回来晚了，天色朦胧，他和随从一面走，一面提防着老虎，忽然瞧见前面山脚下草丛里蹲着一只斑斓猛虎。他连忙拿起弓箭，使尽全力射了过去。凭他百发百中的箭法，自然射中了。
手下的兵士见他射中老虎，拿着刀枪跑上去捉虎。他们走近一瞧，全愣了，原来中箭的不是老虎，竟是一块大石头，而且这支箭陷得很深，几个人想去拔也拔不出来。
大伙儿真是又惊奇，又佩服。
李广过去一看，自己也纳闷起来，石头怎么能射得进去呢？他回到原来的地方，对准那块石头又射了几箭，箭碰到石头，只迸出火星儿，却再也射不进去了。
卫青和霍去病更是在征伐匈奴的战争中，为汉武帝立下了汗马功劳。
卫青率领骑兵三万，一路追击匈奴，一直追到长城外。匈奴以为汉军离他们还很远，一点儿也没防备。卫青在夜色的掩护下，急行六七百里，包围了匈奴。汉兵从四面八方冲进匈奴营地，打得匈奴部队四面逃窜，乱成一团。这一仗，卫青的人马一共俘获了一万五千多个俘虏，其中匈奴的小王十多人。
第二年，汉武帝又派卫青和霍去病攻打匈奴。匈奴听到汉朝大批人马来攻，立即逃走。霍去病当时只是个校尉，立功心切，带了八百人追击，不久就发现了匈奴的营地。初生牛犊不怕虎，霍去病带领这八百壮士冲进匈奴大营，将几千匈奴兵冲得个稀巴烂，顺便还杀掉了匈奴一个大王，俘虏了单于的叔叔和匈奴相国，战斗结束，霍去病被封为冠军侯。之后，汉武帝麾下这几员大将把匈奴打得撤退到大沙漠以北，出现“匈奴远遁，而漠南无王庭”的局面，使中国北部地区得到开发。
打通了西域后，汉武帝派张骞、苏武等人出使西域，结果留下了苏武牧羊的佳话，张骞还打通了中原通往欧洲的“丝绸之路”，使中华民族与其他民族之间的经济文化交往日益频繁。说起来，这功劳还是得归功于汉武帝的开拓疆土。
迷信求仙，悔过罪己
自认为创下丰功伟绩的汉武帝，也跟秦始皇一般，自我感觉甚好，于是自我满足、骄奢淫逸，与秦始皇相比，有过之而无不及。他到处修建苑囿、宫殿，内饰穷极豪华。还染上了和秦始皇一样喜欢巡游的毛病。他先后出巡十几次，其中公元前110年的出巡是他一生中最庞大也是耗费最多的一次巡游，他先是到关外朔方，向匈奴炫耀军威；然后南下登中岳嵩山；东巡海上，又跑到泰山封禅，再沿海北上至陨石，再向西沿北郡经九原折回长安。行程达一万八千里，赶得上孙、猴子一个筋斗了。汉武帝沿途赏赐所用帛百余万匹，钱金以巨万计，所费远远超过秦始皇。
耗费完国库，汉武帝还想着自己能长生不老，以便把这种当皇帝的感觉永远延续下去。于是他迷信鬼神，寻求长生不老仙药。出现了骗人的方士还能被封为五利将军、天士将军、地士将军、大通将军、乐通侯，赐黄金万斤，甚至把自己的女儿长公主嫁给了他。但最后骗局败露，汉武帝恼羞成怒，腰斩了此人。但痴心不改，还不断派人到海上求仙。
老年汉武帝，疑神疑鬼，有一次梦见数千木人打他，醒后病倒，他认为是臣下诅咒造成的，于是出现“巫蛊之祸”。先后牵连其中并遭到杀害的有数万人，其中包括丞相公孙贺父子、武帝亲女诸邑公主、阳石公主、卫皇后的侄儿长平侯等显贵人物。后来还把太子也给牵连进去，使得太子不得不假传圣旨捕斩江充，发兵攻占长安各要害部门，最后兵败自杀，卫皇后也自杀了。后来，丞相刘屈蓬和将军李广利因“巫蛊之祸”受到牵连，刘屈蓬被杀，李广利投降匈奴，所统率的70000大军全军覆没。此时，一生多次大胜匈奴的汉武帝才醒悟过来，觉察到所谓巫蛊活动纯属江充等人制造的冤案，于是他诛灭了江充全家，中止了这一惨祸的继续。
也许是回光返照，临近驾崩的汉武帝才从一连串的挫折中醒悟过来，开始反思自己一生的所作所为。他开始检讨自己的过错，公元前89年，汉武帝最后一次出巡，走到矩定县（今山东广饶县北）时，看到农民正忙着春耕，他便拿起农具，亲自到田里参加劳动。他到泰山明堂里祭祀时，对着天地神灵和大臣们自我检查。不久，汉武帝又按大臣请求遣散了所有的方士，并于当年六月下“罪己诏”，标志着汉武帝一生政策的一大转折，自此以后他采取了与民休息、思富养民的政策。经过两年的努力，社会又趋于安定。所以，就从这一点而言，汉武帝就足以位列中国皇帝中的明君之首了。
对自己一生做出了比较明智的评价，并对自己的错误加以改正后，汉武帝已经日落西山。在完成了对身后事的安排后，汉武帝刘彻终于满足地闭上了眼睛。
知天命的汉武帝亦感到自己晚年政治决策的失误带来的恶果，安抚流民的同时遂在轮台颁下《轮台罪己诏》“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。
千秋功过，宠信江充
也就是在公元前87年，汉武帝在立了刘弗陵为太子，任命了霍光等五个顾命大臣后，终于安心地走了。他七十年的人生尘埃落定。汉武帝在位的五十四年里，他罢黜百家、独尊儒术，他重用人才、招贤纳士，他严刑峻法、重用酷吏。汉武帝的一生在历史的长河中留下太多让人谈论的话题，关于他本人的历史评价，更是莫衷一是，当我们回过头来，再看这位神秘而复杂的皇帝时，我们做何评价？司马迁又是怎样评价汉武帝呢？