匈奴贵族不甘心于河南的失败，于元朔三年和四年，又先后数次侵入代郡（郡治在今河北蔚县西南）、雁门（郡治在今山西右玉县东南）、定襄（郡治在今内蒙古和林格尔西北）、上郡（郡治在今陕西延安），杀掠吏民数千人。元朔五年（公元前124）春，匈奴右贤王又数次侵扰朔方，企图夺回河南地区。武帝为了确保朔方，派将军卫青督苏建等六将军领兵10余万人出朔方、高阙，深入塞外六七百里，乘夜包围右贤王的王庭。右贤王酒醉，突遭袭击，在惊惶中，仅率壮骑数百人突围北逃。汉军虏获匈奴裨王（小王）以下1.5万人，获牲畜数10万头，大胜而归。武帝派使者迎接凯旋的汉军，在军中拜卫青为大将军，统领诸将。这次战役，巩固了汉王朝在战略要地河套南部的统治，不仅解除了匈奴对首都长安的严重威胁，而且构成了反击匈奴的前进基地，开始转入有利地位。
同年秋，匈奴又出动骑兵万人侵入代郡，大肆杀掠。为了进一步打击匈奴主力，巩固边防，武帝于元朔六年（公元前123年）二月，命大将军卫青指挥公孙敖、公孙贺、赵信、苏建、李广、李沮等六将军，率领10万余骑，由定襄北进数百里，在漠南歼灭匈奴军数千人。卫青之甥、年仅18岁的骠骑校尉霍去病，也率领八百精骑，参与战役，在战斗中冲锋陷阵，获得歼敌2000余人的辉煌战果。战后，全军返回定襄、云中和雁门，经过短期休整后，于夏四月再出定襄，击歼匈奴军万余人。但苏建和赵信率领的3000名骑兵，与匈奴单于军队遭遇，损失惨重，苏建突围逃回；赵信原是匈奴小王，在失败后又率残部800余人投降匈奴。赵信向匈奴单于伊稚斜建议，将匈奴军队转移到大漠以北，以诱汉军，待其疲困，然后出而击之。伊稚斜单于纳其献计，决定暂作战略上的撤退，将主力远徙漠北。
西汉河南之战的胜利，使匈奴在沙漠以南的广大地区，仅剩下东面左贤王和河西匈奴的军队。河西即今甘肃的武威、张掖、酒泉等地，因位于黄河以西，自古称为河西，又称河西走廊，一向为中国通西域的道路。从这两方面匈奴军队力量来看，无疑是左贤王较强。但河西匈奴控扼了通西域的要道，对汉朝的威胁又较左贤王为重。在匈奴主力转移漠北、北部边防趋于缓和的情况下，武帝为了打开通西域的道路和巩固西北边防，于元狩二年（公元前121年）春，命骠骑将军（“骠骑”是骁勇的意思）霍去病率领精骑1万人，由陇西出塞。汉军在霍去病的指挥下，勇猛向西挺进，经历五个匈奴王国（部落），转战六日，过焉支山（今甘肃山丹县东南）千余里，在皋兰山（今兰州黄河西）下，与匈奴短兵相接，击杀折兰王、卢胡王（一作卢侯王），俘虏浑邪王子及相国、都尉以下8900余人，并且缴获匈奴休屠王的祭天金人（佛像）。浑邪王、休屠王等率败军逃遁。
为了彻底歼灭河西匈奴的有生力量，同年夏，霍去病与公孙敖率领数万骑兵，从北地郡（郡治在今甘肃省环县东南）出发，向河西进军。同时，张骞、李广领万余骑兵，从右北平（今河北省平泉县）出发，以左贤王为进攻目标，以策应霍去病的行动。
李广率4000名骑兵先行，北进数百里，为匈奴左贤王的4万名骑兵包围，力战二日，死者过半，杀敌亦过当（超过相抵之数）。张骞率主力赶至，左贤王见不能取胜，乃引兵退去。汉军因疲劳过甚，亦未追击而还。
霍去病和公孙敖由北地出发后，以快速的行动向河西实施大迂回，越过居延泽（在今内蒙古西北部）、小月氏（未西迁而仍留居的月氏人的住地），深入2000余里，在祁连山麓（今甘肃张掖西南）与浑邪王、休屠王的军队展开激战，获得了决定性的胜利。计接受匈奴单桓王、酋涂王等2500人的投降，俘王子、相国、将军、当户、都尉等百余人，歼灭匈奴军队3.2万人。汉军亦损伤约十分之三。匈奴单于恼恨浑邪王、休屠王两次战败，损伤惨重，欲加诛罚。两王连遭汉军重创，士气受到严重挫折，又怕单于降罪，乃于是年秋共谋降汉，派使者向正在黄河沿岸督修城堡的大行（执掌异族归化投顺事务的官）李息接洽。武帝闻奏，恐匈奴诈降袭边，即令霍去病率军前往受降。休屠王临时反悔，为浑邪王所杀，部众也被兼并。霍去病率军渡河后，与浑邪王的部队对面相望。浑邪王属下裨将望见汉军，心存疑惧，不欲投降，准备逃走。当此紧要关头，霍去病当机立断，亲率精骑驰入匈奴营中，与浑邪王会晤，斩杀企图逃亡的8000人，并先遣浑邪王乘驷传先至行在所（长安），去见汉武帝。然后亲率匈奴投降官兵4万多人回到长安。其后，汉武帝将匈奴降众安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中等沿边五郡，因其故俗为“五属国”。西汉王朝在浑邪王、休屠王故地陆续设立酒泉、武威、张掖、敦煌四郡。汉得河西四郡，不但阻断了匈奴与羌人的联系，而且沟通了内地与西域的直接交通，这对西汉和匈奴势力的消长，发生了显着的变化。河西水草肥美，匈奴失去河西后，在经济上受到了很大损失。所以匈奴人歌曰：“失我祁连山，使我六畜不蕃息；失我马支山，使我嫁妇无颜色。”
汉军在向西大捷以后，匈奴在军事形势上的右翼力量已经显着削弱；但单于兵力的中坚部分，对汉朝的威胁依然很大。河西之战的第二年，即元狩三年（公元前120年）秋，匈奴又派骑兵数万人侵入右北平、定襄，杀掠吏民千余人，并企图引诱汉军深入，乘其远道疲困予以歼灭。
汉武帝决心彻底解除来自匈奴的侵扰，为此目的，他一方面采取整理币制、专卖盐铁、加重商税等措施，以解决战时经济的困难；一方面乘匈奴势衰之际，集中兵力，深入打击其主力。元狩四年（公元前119年）春，他召集众将商议进军漠北说：“翕侯赵信为单于画计，常以为汉兵不能度幕（沙漠）轻留（轻入久留），今大发卒，其势必得所欲。”他利用赵信的错误判断，因势利导，确定集中兵力、深入漠北、歼灭匈奴主力的作战方案。随即集中兵力10万人，组成两大骑兵集团，令卫青、霍去病各领骑兵五万，分东西两路，远征漠北。同时令李广为前将军，公孙贺为左将军，赵食其为右将军，曹襄为后将军，皆归卫青指挥。由于此次用兵，是准备在沙漠地区与匈奴主力决战，大量人马的物资供应和军需品的运输补给，对于战争的胜负至关重要。武帝在连年战争、军马不足的情况下，决定组织“私负从马十四万匹”，随军行动；并以步兵数十万人，紧随大军之后转运辎重，以保证这次军事行动的后勤补给。
汉军大出击的消息传至匈奴，赵信向单于献策说：“汉军即度幕，人马疲，匈奴可坐收虏耳。”伊稚邪单于纳其议，将全部辎重转移至远北，以精兵待于漠北。汉军原拟由定襄北进，并由霍去病专力对付单于。但在进军途中，捕得匈奴俘虏，得知单于驻地所在，于是又改令霍去病从代郡出击，卫青仍按原定计划出定襄。卫青率领精兵直趋单于驻地，命令李广与赵食其合兵一处，从东道进发，约定在战场会齐。卫青率军出塞后，北进千余里，渡过大沙漠，望见伊稚邪单于的军队正严阵以待。卫青临危不惧，他下令用武刚车（四周及车顶用皮革做防护的兵车）自环为营，然后派出5000名精骑去向敌阵冲锋。伊稚邪也以万骑应战。这时，天近黄昏，狂风陡起，沙砾击面，两军对面不相见。卫青乘势派出部队从左右翼迂回，包围单于的营阵。单于见汉军人数众多，士气旺盛，自度不能取胜，慌忙骑上善走骡，率领数百名精骑，向西北方向突围逃去。两军激战至深夜，杀伤相当。卫青发现单于逃走，立刻派出轻骑连夜追击，匈奴人马纷纷溃散。及至天明，汉军深入200余里，未获单于踪迹，计俘斩匈奴官兵1.9万人。汉军一直挺进到寘颜山（寘音田，寘颜山在今外蒙古纳拉特山）赵信城（赵信降匈奴后所建）。汉军在赵信城缴获匈奴大批积粟，补充了军用。大军驻留一日后，尽焚其城余粟奏凯而还。
根据汉武帝的作战计划，霍去病统率的东路是主力军，因而配备兵力最强，所领骑兵皆“敢力战深入之士”，所属将领，如右北千太守路博德，北地都尉卫山，校尉李敢和徐自为等人，都是有名的猛将。他的部队中还有一部分是先前匈奴的降将，他们熟知地理，惯于在沙漠中行军。霍去病率军出代郡和右北平，北上行军2000余里，越过大沙漠，与匈奴左贤王军遭遇，大败左贤王，击溃其主力部队，俘获左贤王属下三个小王，将军、相国、当户、都尉等83人，捕斩7.04万余人。左贤王及其将领弃军逃走，汉军追至狼居胥山（今外蒙古乌兰巴托以东），在其主峰上建立高坛，祭告天地，然后班师凯旋。
这次漠北决战，卫青所到寘颜山和霍去病所到狼居胥山，都在瀚海大沙漠以北，已深入匈奴腹地。汉朝两路大军追击匈奴，出塞2000余里；共歼敌9万余人，夺回了匈奴在大漠以南的所有草地，“是后匈奴远遁，而漠南无王庭”，基本上解除了匈奴对汉朝的威胁。汉军亦有不小损失，士兵死亡数万人，军马损折11万余匹。
经过这几次打击，匈奴一蹶不振，再无力骚扰中原。西汉建国以来百年的匈奴边患，至此基本解除。汉武帝反击匈奴的战争，制止了匈奴贵族的野蛮掠夺，维护了汉朝边郡的先进的农业生产，使北部边境地区得到进一步开发，是符合广大人民利益的。
拓土辟疆，广开三边
秦始皇虽然统一了南方，但南方的形势并不稳固。秦亡后，南方和东南方相继出现了几个越族政权，自立为王，这就是东瓯、闽越和南越。汉初无能为力，汉朝不得不和它们“剖符通使”，承认现状。闽越国实力雄厚，“甲卒不下数十万”，闽越王根本不把西汉王朝放在眼里，“名为藩臣，贡酬之奉不输，一卒之用不给”，而且还经常发兵骚扰汉境，吴楚“七国之乱”后刘濞败逃东瓯，东瓯王杀之。刘濞的儿子逃到闽越，闽越王收留了他，并与其共同蓄谋反汉。闽越王的反汉活动严重影响了西汉王朝在全国的统治，也将给东南人民带来战乱之苦，汉武帝决心消除这一祸患。
汉武帝继位之初，闽越王派兵攻打东瓯，东瓯王派人到长安，请汉武帝出兵相救。汉武帝经过廷议，决定出兵，派庄助带会稽郡兵从海上救援东瓯，军队还没到达，闽越王就退了兵，庄助兵不血刃就解除了东瓯之围。东瓯王怕汉军走后闽越再来攻打，请求内迁，汉武帝同意，东瓯王率4万军民迁到长江和淮水之间的地区，取消外臣国的地位，使东瓯人民与汉族人民生活在一起，加速了民族融合。
公元前135年，闽越又出兵进攻南越，南越王一面吩咐军队只守不攻，一面派人向汉武帝请示。经过廷议，汉武帝派王恢和韩安国率两路大军东进闽越，支援南越。闽越内部发生政变，闽越王的弟弟余善杀闽越王郢，献其头颅给将军王恢。汉武帝见首恶已诛，便下令罢兵，立闽越先王的子孙繇君丑为越繇王，并立余善为东越王，迁往东越故地。公元前111年，东越王余善趁南越叛乱之机发兵攻汉，把攻汉的将军称为“吞汉将军”，进攻白沙、武林、梅岭3个地区，杀死3个汉军校尉，还刻成玉玺，准备称帝，与汉朝分庭抗礼。
汉武帝接到消息后，下令处死驻守边境、临阵脱逃的大司农张成和前山州侯刘齿，然后命韩说、杨仆等率五路大军水陆并进，进攻东越，汉军势如破竹，在大军压境的情况下，东越内部又发生内讧，部将杀死余善向汉军投降。汉武帝平定这次叛乱后，考虑到东越地方险阻，民族强悍，其统治者又反复无常，为防止后患，把东越人迁到江淮一带，此后闽越地区一直比较稳定，生产得到较快发展。
南越指今两广一带。原为秦始皇新开的南海三郡，秦末变乱时，秦朝的龙川令赵佗代理南海尉据险自守，逐步尽占桂林和象郡，自立为南越武王，治理得不错，刘邦封其为南越王，南越成为汉王朝的藩属国。汉武帝帮助南越王解除了闽越的威胁，使其感恩戴德，南越王还派自己的儿子赵婴齐入长安服务王室。赵婴齐在长安与一个邯郸女子擢氏成婚，生子赵兴，后来赵兴成为南越王。但后来南越统治者的内部矛盾加剧，丞相吕嘉势力增大，与王太后擢氏发生争执，王太后请求内属，吕嘉极力反对，双方相持不下，竟在朝中动武。吕嘉逃出后，经过几个月的准备，发兵杀掉南越王赵兴、王太后和汉使。汉武帝认为吕嘉的叛乱给他造成了出兵的机会，便于公元前112年派10多万军队分五路进攻南越。第二年，汉军攻下番禺。不久，俘获吕嘉。吕嘉反叛平定后，汉武帝在南越设置儋耳、珠崖、南海、苍梧、郁林、台浦、交趾、九真和日南9个郡，前6个郡在两广境内，后3个郡在今越南境内。以后南方与东南和中原成为一个不可分割的整体，这在中国历史上具有划时代的意义。
汉武帝同时也加紧对西南地区的开发。当时，在今云南、贵州和四川西南部一带，居住着许多语言、风俗互不相同的少数民族，当时它们被称之为“西南夷”。它们各立“君长”，组成几十个部落，其中贵州境内的夜郎、云南境内的滇和四川境内的邛都等最大。这些地区的少数民族，虽然早与巴蜀地区的汉民有往来，但因道路不便来往也很受限制。秦统治时间很短，未及开发，汉初又放弃经营这些地区，但各族之间往来并未中断，所以到汉武帝执政后即决定开发西南。
公元前135年，汉武帝派唐蒙出使夜郎，夜郎向西汉称臣。不久又派司马相如出使西南，在那里“置一都尉，十余县，属蜀”。公元前111年，汉武帝再次在西南设郡。公元前109年，汉武帝又发巴蜀兵伐滇，降滇王，以其地置益州郡。从此云贵地区正式成为汉王朝的郡县，西南地区归入西汉版图。西南各族和汉族人民之间的联系更加密切了，广大西南地区得到了进一步的开发。
公元前108年，汉武帝又发兵东北，降服了那里的高句丽等部，在那里设玄菟、乐浪、真番、临屯四郡。此后朝鲜与中原的文化交流更加密切了。
汉武帝广开三边，大刀阔斧地拓植四方，巩固和发展了庞大的帝国，使中国的版图初具规模，也促进了少数民族地区经济文化的发展，加速了民族大融合，为建立和巩固统一的多民族国家奠定了基础。
外交远征，沟通西域
西汉时期，西域指的是玉门关以西、葱岭以东，包括今新疆省在内的广大地区，有时也把中、西、南亚的一部分和东欧北非的少数地区也称西域。汉武帝时期西域分为36国，绝大部分分布在天山以南塔里木盆地边缘的绿洲上，也有一小部分位于天山以北的准噶尔盆地上。它们面积不大，人口不多，多数从事农业，少数以游牧为生。它们多建有城郭，国王以下设有简单官职和占人口比重很大的士兵，战略地位非常重要。其中较大的国家有：疏勒、龟兹、焉耆、车师、莎车、于阗、楼兰、乌孙、且弥、蒲类等。
敦煌壁画《张骞出使西域辞别汉武帝图》
