建元二年（公元前139），从投降过来的匈奴人口中得知匈奴打败了大月氏，后者已从水草丰美的祁连山麓西迁。据说匈奴单于还把大月氏王头颅砍下来 制成尿壶，其人十分痛恨。汉武对这个消息极重视，便想联络对方，与之结成同盟，一起对付匈奴。但大月氏离开敦煌后，究竟迁往何处，当时并不清楚。而河西一 带又控制在匈奴人手里，西行寻找大月氏须经过那。所以，这任务既艰巨又危险，没人敢承担，汉武只好悬赏招募。
建元三年，汉中城固（今 属陕西）人张骞（？—公元前114）以郎官身份勇敢应募。汉武帝很欣赏他的胆识，当即选派100多名随行人员给他，还派了一名叫甘父（另名堂邑父）的匈奴 人作向导。张骞此次出使，半路被匈奴俘获，还娶妻生子，但“身在匈奴心在汉”，羁押8年后逃出，到达大月氏、大夏（今巴克特里亚）。虽没达到结盟目的，却 了解了大量有关西域各国的知识，中国人第一次知道了世界有多么广阔。张骞历经艰辛回到大汉，将西域各国的地理、风俗、物产、政治、军事等情况报告汉武，使 汉朝政府对西域有了比较清楚的了解，不仅为以后沟通西域做了初步准备，而且大大激发了汉武“拓边”的雄心，发动了一系列抗击匈奴的战争。
元狩四年（公元前119），张骞奉命第二次出使西域，这次路上很顺利。他到达乌孙后，一方面遣副使到大宛（今乌兹别克）、康居（今撒马尔罕）、大月氏、 安息、身毒（今印度）诸国，以加强汉朝和中亚地区联系，发展贸易往来；一方面说服乌孙昆莫，争取其东迁故地。乌孙虽不肯东迁，但在元封元年（公元前 110）终究与汉朝结亲通好，公主刘细君远嫁。张骞归汉两年后，其副使才陆续回来。这些距汉廷十分遥远的国度，通过汉使知道汉王朝的情况，有的就派使节随 同汉使一起来到长安。汉武出巡时，让各国使者也跟随前去。这样他们更进一步了解了中国的情况，回国后宣传所见所闻。从此后，西域许多国家便和中国建立了友 好关系，“通西域”便正式开始了，著名的“丝绸之路”产生了（详见下节）。
此后，汉武又陆续派多批使者到西域各国，每年或十几次或五 六次，每次或百余人或数百人。比较远的如安息、奄蔡、条支（今伊拉克）诸国，都有中国使者的足迹。不久张骞病死，丝绸之路上也时有险阻，尤其是来自匈奴的 破坏。姑师和楼兰两国正当汉通西域要道，且富庶美丽。元封三年（公元前108），汉武派赵破奴和王恢统兵数万征伐两国，楼兰王被擒，成为汉朝藩属；姑师也 兵败国破，于征和四年（公元前89）完全被汉朝征服。从此西域之路畅通无阻。
唐蒙使夜郎建郡。前三世纪末，因汉朝初建，无暇顾及西南 夷地，曾一度采取“关蜀故徼”。刘汉在经过70余年休养生息后，国力增强，经济雄厚，开拓西南夷的政治、经济、军事条件业已成熟。汉武时，汉朝“天下殷 富，财力有余，士马强盛”。巴蜀地区更是“地沃土丰”，以致“汉家食货，以为称首”。汉武北抗匈奴，南收南粤，西通西域的政策又已取得初战成功，为开拓西 南夷提供了条件。特别是张骞西域归来，盛言打通“蜀身毒国道”甚为可取。且开发西南夷又是巴蜀和西南民族地区经济文化发展的要求，政治上的隔离状态已阻碍 社会经济的发展，故巴蜀人民已采取“窃出商贾”方式来抵制汉朝的封闭政策。汉武因而决定采取大规模开拓西南夷的行动。他在长安附近挖地修“昆明池”习练水 军，也是为进攻西南夷作准备。
建元六年（公元前135），汉武帝派大将唐蒙出使南越，发现从蜀（成都）经夜郎有水路通番禺（今广 州），建议招降夜郎，以击南越。“”的故事也发生于此，说明当地偏僻崎岖，交通不便，人们不出远门，不知世界之大。汉武乃拜唐蒙为郎中将，携带大 量缯帛、货币，率军从巴蜀笮关入夜郎（南夷），招降了夜郎侯多同，将该地划入犍为郡。蜀郡以西的邛、笮（西夷）等亦请求归附，“如南夷例”，先后建立7个 郡。于是汉朝于元光五年（公元前130）命司马相如使西夷，在邛、笮地区设一都尉，10余县均属蜀郡管辖。汉朝为有效控制西南夷，又令唐蒙和司马相如分别 修筑“南夷道”和“西夷道”。前者是在秦五尺道的基础上使其延伸至江流域和滇中地区（即石门道）；后者是自蜀经临邛以达邛、笮地区（即清溪道）。由于 修筑二道耗费了大量人力物力，引起了一些西南夷部落反抗，汉廷内持反对意见者乘机抵毁对西南夷的开发。大汉开拓西南夷的第一阶段暂告结束。
三打匈奴。汉武帝一生的业绩中，武功占极大比例。由他领导抗御匈奴的战争竟持续了43年，大小战役达15次之多，关键性的大战有3次。虽最终 取得了重大胜利，但也损失惨重，消耗了庞大军费物资，拖垮了原本殷实的朝廷财政；牺牲了无数普通将士，尸横遍野，血流成河，荒冢连天。
元光二年（公元前133），汉武帝采纳王恢建议，派遣、公孙贺、王恢、李息、韩安国五将军，率30万大军埋伏在马邑附近；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，汉朝大军无功而返。马邑之谋虽然失败，但汉武全面反击匈奴的决心已不可动摇。他全面改革了军事体 制，设大将军加“侍中”的统兵制度，取代太尉，提拔皇后之弟、奴隶出身的卫青（？—公元前106，河东郡平阳即今山西临汾人）任此职；改革兵役制 度，调整军队各兵种构成及训练方式。经过一番改革，汉军的素质和战斗力有了明显提高，大规模反击匈奴的准备完成了。
收复“河南地”之 战。元朔二年（公元前127），匈奴两万骑兵侵我边境，由渔阳入雁门，首都长安直接受到威胁。汉武制定声东击西策略，派卫青率军出云中（治今内蒙古托克 托），对“河南地”（河套地区）的匈奴楼烦王、白羊王各部进行大规模迂回包围作战。匈奴方无备，大败，秦末以来长久沦陷于匈奴的河套被大汉收复。河套离长 安千余里，匈奴骑兵南下不过二三日路程。汉初数十年间常以匈奴为忧，河套在匈奴控制下是重要原因。汉朝收复河套，利用这一有利的天然屏障，把朔方和五原建 成抗击匈奴的基地，既解除了匈奴对长安的威胁，又可减省军需粮饷转输，为汉朝最后击败匈奴创造了有利条件。
河西争夺战。元朔六年（公 元前123），汉武帝又派卫青率10万骑兵出塞追歼匈奴。在这次战役中，霍去病（公元前140—公元前117）脱颖而出。霍是卫青外甥，出身于奴隶。由于 他“善骑射”，受到汉武赏识，被提拔为侍中。在汉匈激烈交战于焉支山（今甘肃山丹东南，胭脂原产地）军马牧场时，汉武任命他为剽姚校尉。校尉是地位较高的 军官，仅次于将军；“剽姚”是形容他行动勇健轻捷。卫青还挑选800名精锐骑兵归霍去病指挥。汉军出塞后，霍率骑兵冲杀在前，离开汉军主力，一直奔袭数百 里。这支骑兵小部队找到匈奴军后，以迅雷不及掩耳之势发起突然袭击，打得敌兵措手不及，溃不成军。汉军以少胜多，斩敌2000余，杀死匈奴单于叔祖父籍若 侯产，生俘单于叔父罗姑比，班师凯旋。汉武发布命令，称许霍去病勇冠三军，封为冠军侯。霍初上战场，就表现出超群的军事才能。元狩二年（公元前121） 春，霍去病任骠骑将军（位同大将军），率骑兵万人，从陇西出塞，转战6天，越过焉支山千余里，杀敌8000余，俘虏浑邪王子等，缴获休屠王的祭天金人，汉 军河西首战告捷。同年夏，霍又与公孙敖率数万骑出北地（今甘肃庆阳），深入2000多里，越过居延泽（今内蒙古额济纳旗），攻至祁连山（今甘肃张掖），击 败匈奴军主力，俘获匈奴酋涂王和单于阏氏、王子等百余人，歼敌3万多。这是西汉对匈奴开战以来取得的一次空前大捷。此役后，汉朝控制了整个河西地区，截断 了匈奴和羌人的联系，打开了内地通往西域的道路，为“畅通西域”创造了重要条件。不久，汉武在河西置武威、张掖、酒泉、敦煌四郡。
漠 北之战。匈奴伊稚斜单于因屡遭重创，心有余悸，将单于廷暂时移至漠北，便于引诱汉军深入，然后乘其兵疲而袭击。元狩四年（公元前119），汉武帝将计就 计，乘匈奴疏于防范，决定攻其不备，发动第三次大战役。汉武调集10万骑兵，随军战马14万匹，步兵及转运夫10万人，由卫青和霍去病统帅，分东西两路向 漠北进发。这是规模最大的一次远征。卫青指挥汉军以左右翼将匈奴单于包围，伊稚斜单于率数百骑突围逃走。汉军乘胜追击，杀敌近2万人。在此次战役中，“飞 将军”李广的进军路途遥远，又没有向导，于沙漠中迷失方向，错过会合时间，他因误期而自杀。根据作战计划，东路霍去病是主力军，汉武给他配备的力量最强， 将汉军“敢力战深入之士”都交其指挥。霍深入漠北2000多里，与匈奴左贤王相遇，展开一场激战，对方骑兵几乎全部被歼。霍乘机追击，至狼居胥山（今蒙古 国肯特山），直到瀚海（今俄罗斯西佰利亚贝加尔湖）才奏凯而还。经过这次漠北大战，匈奴人马伤亡很大，逐渐衰弱下去。“是后匈奴远遁，而漠南无王庭”。霍 在抗匈战争中建立大功，多次得到汉武奖赏，前后赐封他食邑17万户，并加官大司马。霍24岁时不幸病逝，汉武十分悲痛，为他修建了一座仿祁连山模样的宏伟 坟墓，来纪念这位青年英雄。其名言“匈奴不灭，何以家为”始终激励着后人。
边地移民又屯田。汉武帝元狩二年（公元前121）派霍去病 两次进军祁连山，击败匈奴，占领河西走廊。河西纳入汉王朝版图后，实行了大规模移民实边政策，大量汉人移居古浪；又设郡置县，实行屯田，修建长城，筑置烽 燧，开发河西。为解决长城沿线驻军的供应问题，逐步发展起来的屯田制对我国北部地区的经济开发起着十分重要的作用。自沿长城设郡、徙民实边始，已开 创了这一制度，西汉进一步推行筑城、屯田制。特别在汉武和昭宣时期，采纳桑弘羊、晁错、赵充国等人建议，大量发展徙民实边，开展屯田。屯田有军屯和民屯两 类，有时称作“屯戍”，就是一面戍边防御一面生产。在长城、亭障防守地带及荒远地区，由守军士卒和移民共同开垦田地，兴修水利，进行耕作备战。赵充国在奏 书上说：“臣以为屯田内有亡费之力，外有守御之备。”后来又发展了西域诸属国的屯田，远至车师、渠犁、赤谷城（今俄罗斯伊塞克湖边）。由于西汉大力推行屯 田，西域诸属国的生产也大大发展起来。这种屯田制被历代继承下来，以至发展到长城以外地区，对全国各荒僻落后地域的开发也曾起到很好的作用。
