大宛，地處烏茲別克費爾幹納盆地，張騫出使西域後，漢武帝爲了得到汗血馬於是命使者，帶黃金二十萬兩及一匹黃金鑄成的金馬去大宛國都，求換汗血馬。但大宛國王毋寡以汗血馬爲大宛國寶而拒絕，漢朝使節就在毋寡面前，破口大罵，並把金馬擊碎，掉頭而去，毋寡因而大怒並殺死使團，奪走金銀財寶。漢武帝聞使者被殺，財物被劫，不禁大怒，立命李廣利任貳師將軍，發兵數萬遠征大宛。太初四年（公元前101年），漢武帝命李廣利遠征大宛。
漢軍人多勢衆，聲勢浩大，沿途小國不敢對抗，紛紛開城出迎，供給食糧和飲水。只有輪臺（新疆輪臺）抗拒漢軍，閉城緊守。漢軍攻數日，破城，屠輪臺，此後無人敢擋。直襲大宛都城貴山城，首先切斷其水源，然後將貴山城團團包圍，日夜攻打，破其外城，殺大宛勇將煎靡。大宛統治集團內部終於發生內訌，其貴人多怨大宛王毋寡，於是共同殺死毋寡，遣使持毋寡首級赴漢營求和，表示願將良馬驅出供漢軍挑選，從此大宛服屬西漢。
李廣利命搜粟都尉上官桀攻打鬱成城。經過激戰，鬱成城守軍終於抵敵不住，戰敗投降，鬱成王逃往康居。上官桀率軍追至康居，向康居要人。康居見大宛已破，遂將鬱成王交與上官桀。上官桀手下上邽騎士趙弟在途中殺鬱成王。漢軍擊敗大宛，威震西域。西域諸國紛紛遣子弟入漢貢獻，並作爲人質。西域臣服。
元封三年（前108年），漢武帝令從票侯趙破奴擊破姑師，威震烏孫、大宛等西域諸國。徵和四年（前89年），漢武帝令重合侯莽通（一稱馬通）率4萬騎兵擊匈奴，途經車師北。莽通令成娩率軍中樓蘭、尉犁、危須等西域6國兵，進攻車師，以掃除大軍前進的障礙。6國兵將車師團團包圍，車師投降，臣屬於漢。
元封三年（前108年），漢武帝命從票侯趙破奴率兵數萬擊姑師（車師）及樓蘭。姑師也多次襲殺漢使。趙破奴令數受樓蘭追殺、攔截之苦的王恢爲先鋒，率700人，攻破樓蘭，俘樓蘭王。樓蘭降服於西漢。
漢武帝通西域後，李廣利破大宛回軍途經扞彌，恰逢賴丹要去龜茲爲質。李廣利派人責問龜茲王，龜茲王聽從姑翼之議，派兵攻殺賴丹，後又害怕，遂上書謝罪。宣帝本始三年（前71年），長羅侯常惠，監護烏孫發兵5萬大破匈奴後，回朝途中，上書請擊龜茲，以償殺賴丹之罪，常惠調集龜茲以西諸兵2萬人，又遣副使調集龜茲東面諸國兵2萬人，令烏孫發兵7千，從三面進擊龜茲。龜茲王極爲驚恐，急忙相告，殺賴丹是前王聽信貴人姑翼所幹，於己無關，並執姑翼來見常惠。常惠斬姑翼，罷兵。
漢武帝通西域後，莎車與西漢建立了友好關係，不斷遣子入漢爲質。漢宣帝元康元年（公元前65年），衛候馮奉世護送大宛等國使臣回國，途經鄯善國伊脩城，駐守於此的漢都尉宋將向他報告了莎車的不軌行爲。此時，西域都護鄭吉在北道諸國間。馮奉世與副使嚴昌商議，認爲如不立即攻莎車，待其勢力強大將難以制服，那樣必然危及漢在西域的統治。於是馮奉世下令調集諸國之兵，進擊莎車，破莎車城，呼屠徵自殺。馮奉世另立莎車王其他昆弟爲王。其餘諸國叛亂也被平息，恢復了西漢在這裡的統治。
元封二年（前109年），漢武帝派兵由水、陸兩路進攻，滅亡盤踞在朝鮮半島北部的衛氏朝鮮。元封三年（前108年），漢武帝統一其舊域後，在那裡劃分地方行政區域，設置了樂浪郡（約在今朝鮮平安南道，治所朝鮮縣城是故衛氏朝鮮都城王險城，位於今平壤大同江南岸）、玄菟郡（約在今朝鮮咸鏡道）、真番郡（約在朝鮮黃海道、京畿道各一部）、臨屯郡（約在今朝鮮江原道），史稱“漢四郡”。四郡其下各轄若干縣，郡縣長官由漢朝中央派遣漢人擔任。很顯然，“漢四郡”的設置，說明漢武帝已經將朝鮮半島北部地區納入了漢帝國的統治範圍。
漢武帝元鼎五年春，殺南越王、王太后及漢使，殲滅韓千秋軍。是年秋，武帝遣路博德、楊僕等兵分五路沿水道征討南越。元鼎六年冬，漢軍攻克南越國都番禺，生擒南越王相呂嘉。南越亡。漢在南越設立南海，儋耳、珠奎、蒼梧、玉林、合浦、交趾、九真、日南9郡。元鼎六年秋，武帝下令分兵征討東越。至元封元年（前110年），各路漢軍進至東越國境，原越建成侯敖與繇王居股合謀，殺餘善降漢。武帝鑑於閩越地勢險惡，其人又多次圖謀反漢，詔命各路將領將當地民衆遷徙到江、淮地區。閩越遂亡。至此，長期處於半割據狀態的東越、南越地區，均歸屬漢朝，南邊的疆域到達今天越南的南部。
漢建元六年（前135年），漢武帝武帝乃拜唐蒙爲郎中將，從巴蜀笮關入夜郎，招降了夜郎侯多同，將其地劃入犍爲郡。蜀郡西部的邛、笮（西夷）部的君長亦請求歸附，“如南夷（夜郎）例”“蜀人司馬相如亦言西夷邛、笮可置郡”。於是漢朝於元光五年（公元前130年）命司馬相如使西夷，在西夷邛、笮地區設一都尉，10餘縣，均屬蜀郡管轄。
元狩三年（前120年），漢朝積極準備重新開拓西南夷，元鼎六年（公元前111年），漢朝軍隊平南越，接着“行誅隔滇道者且蘭，斬首數萬，遂平南夷爲牂牁郡。夜郎侯始依南粵，南粵已破，還誅反者，夜郎遂入朝。上以爲夜郎王”。漢朝全部控制了夜郎地區。接着又誅反抗漢朝的邛君、笮侯，冉駹等部皆震恐，請求置吏，漢朝便“以邛都爲粵（越）嶲郡，笮都爲沈黎郡，冉駹爲文山郡，廣漢西白馬爲武都郡”。將蜀西部的西夷地區完全納入漢朝的統治之下。
漢朝曾以誅南夷兵威招降滇王，但遭到滇的聯盟諸部勞浸、靡莫的反對，漢朝便於元封二年（公元前109年）出兵擊滅勞浸、靡莫，“以兵臨滇，滇王始首善，舉國降，請置吏入朝”。於是漢朝在滇國境內設益州郡，賜滇王印，令其復長其民。至此，漢朝基本上將西南夷地區納入其統治範圍。漢武帝平定南越後，首次在今海南島置儋耳郡、珠崖郡，統治了今天的海南島與南海諸島的地區。[
漢武帝統治時期，由於對外征伐不斷，中央財政從此前“京師之錢累鉅萬，貫朽而不可校”的豐盈一變而爲入不敷出的困局。“而富商大賈或蹛財役貧，轉榖百數，廢居居邑，封君皆低首仰給”。富商大賈富可敵國，恰與窘困的中央財政形成了鮮明對比。中央**除了靠鬻武功爵等方式快速增加財政收入外，“冶鑄煮鹽，財或累萬金，而不佐國家之急，黎民重困。於是天子與公卿議，更錢造幣以贍用，而摧浮淫併兼之徒。”增加中央財政收入，打擊大商人，此即漢武帝幣制改革的初衷。故漢武帝即位後，爲了中央**在經濟管理和政治統治上的需要，便十分重視解決幣制問題，先後進行了六次幣制改革，基本解決了漢初以來一直未能解決的幣制問題。一方面穩定了金融，另一方面將地方的鑄幣權重新統一於中央。六次改革後三官五銖的發行一舉解決了困擾西漢金融多年的私鑄、盜鑄問題，漢武帝的幣制改革至此取得了較大成功。
鹽鐵官營自漢代延續到現代，鹽鐵茶主要仍由**及國企控制。這項制度實施，使國家獨佔國計民生意義最重要的手工業和商業的利潤。
文化上，採納董仲舒“罷黜百家，表彰六經”的建議；劉徹能詩善賦，重用四方文人賢士、重視文化建設。歷史上第一次由**下令在全國範圍內徵集圖書，廣開獻書之路。又建藏書之策，置寫書之官，各類圖書，皆在數十年間廣充秘府，史稱“書積如丘山”。當時**藏書處所有“太常”、“太史”、“博士”之藏，皇宮有“延閣”、“廣內”、“秘室”之府[89]，藏書達33090卷。皇室和**藏書空前豐富。這是中國歷史上第一次明確記載的國家圖書館。
中華民族發展史上漢武帝創造了數個第一，聽取董仲舒的建議，“罷黜百家，表彰六經”就是把儒家學說作爲封建正統思想，持法家，道家等各家學說的讀書人，均受排斥，武帝還大力推行儒學教育，在長安舉辦太學。太學是中國古代最高學府，以儒家五經爲主要教材，不學習其他各家學說。“罷黜百家，表彰六經”在中華傳統文化舞臺上獨領風騷兩千餘年，受到歷代統治者所推崇。
但是漢武帝並非限制其他各家的發展，只是大力提倡儒家的發展儒法結合，即所謂的“儒表法裡”。比如夏侯始昌既研習儒家又通曉陰陽五行家；宰相公孫弘兼治儒法兩家；主父偃以縱橫家起家；耿直的汲黯司馬談司馬遷以黃老學說起家。漢武帝在獨尊儒術時，又“悉延（引）百端之學”，形成了在以儒家思想爲統治思想的同時，又兼用百家的格局。