武帝即位不久,就着手准备对匈奴发动大规模的军事进攻。元朔二年,卫青击败匈奴,收复了河南地(今内蒙古河套地区)。汉置朔方郡、五原郡,并从内地移民10万到那里定居。元狩二年(前121)春,霍去病获匈奴休屠王祭天金人。同年夏,攻至祁连山。汉政府在河西地区,先后置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡。匈奴经过汉军几次打击,被迫远徙漠北,此后再无力进行严重骚扰。为了对匈奴发动攻势,汉武帝还派张骞出使西域,沟通了汉与西域各族之间的经常联系。对闽越、东瓯和南越的少数族政权,武帝利用其内部矛盾,分别加以征服,置于汉政府的直接管辖之下。与此同时,又在西南夷地区设置郡县。汉武帝还派兵从海陆两道攻入朝鲜,设置真番、临屯、乐浪、玄菟四郡。
由于对边境各族用兵,使得国家长期积累的财富趋于枯竭,许多富商大贾囤积居奇,牟取暴利。为了解决国家财政困难,武帝除了卖武功爵和募民入粟入奴婢拜官以增加收入外,又实行盐铁官营和均输、平准等经济统制措施,并法定货币官铸,府库岁入因而大大充实。他颁布算缗、告缗令,以打击积货逐利的商贾。武帝又着力治理黄河,使其几十年不再为患。由于武帝的重视,各地的水利事业也有比较大的发展,关中地区的漕渠、龙首渠、六辅渠和白渠等著名水利工程,对促进农业生产都起了重要作用。