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**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。
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。
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”是刺举，也就是侦视不法，“史”是指皇帝派出的使者。
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（midi）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！
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。
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。
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。