汉武帝统汉时期，开疆拓土，尤为史家所称道。汉朝建立以后，一直受着北方强大的匈奴族的威胁。武帝以前各代皇帝均采取“和亲”政策。武帝时由于国力空前强盛，反击匈奴条件成熟了，遂于公元前133年至公元前119年对匈奴展开了大规模的反击。元光二年（前133年），汉与匈奴关系破裂，匈奴频频大举进攻汉朝北方边郡，汉军也屡屡发动反击，其中影响较大、带有决定性的是汉朝将军卫青、霍去病领兵攻击匈奴的三次战役。

第一次是在元朔二年（前127年）春，匈奴军队袭扰上谷、渔阳，杀掠吏民数千人。当时匈奴右贤王及白羊王、楼烦王占据河南地（即阴山、河套地区），并以此作为袭扰关中的出发基地，对汉京师长安构成很大的威胁。武帝不受匈奴军队袭扰上谷、渔阳的牵制，决定收复河南地，以彻底解除匈奴威胁长安的隐患。于是采取胡骑东进、汉军西击的作战方针，派车骑将军卫青、将军李息率兵出云中（今内蒙古自治区托克托旗），沿黄河北岸西进，用避实击虚的战略，迂回到陇西，对河套及其以南的匈奴军队进行大包围，发动突然袭击，歼敌数千人，获牛羊百余万头，匈奴白羊王领残部逃走，西汉完全收复了秦末以来被匈奴占领的河套地区。武帝采纳了谋臣主父偃的建议，在当地设置了朔方郡（今内蒙古自治区杭锦旗北）和五原郡（今内蒙古自治区包头市西），又派苏建督率十余万人兴建了朔方城，重修秦代所筑的旧长城，从内地移民10万在朔方定居，充实边防力量，建立了反击匈奴的前沿基地，消除了首都长安所受的威胁。汉得河南地后，匈奴贵族不甘心失败，连年入侵上谷、代郡、雁门、定襄、云中、上郡、朔方，企图夺回失地。汉军在卫青指挥下数度出击，在漠南多次战败匈奴，确保了朔方地区的巩固，使匈奴主力退往漠北。

第二次是在公元前121年。河西郡在今甘肃的武威、张掖、酒泉等地，因位于黄河之西，自古称为河西，是内地至西域的通道。匈奴驱逐大月氏占领河西后，将酒泉地区封给浑邪王，武威地区封给休屠王，借以西控西域各国，南与羌族联合，致使内地与西域的通道被阻断。为了打开通往西域的道路，保卫西部边境的安全，汉朝在元狩二年（前121年）三月，命将军霍去病率骑兵万人出征，发动了河西战役。

霍去病领兵出陇西，经金城（今甘肃兰州西北）、令居（今甘肃永登西），越乌鞘岭，穿过匈奴所属的五个王国，连战连捷，然后越过焉支山，涉千余里，和匈奴军队短兵相搏，大获全胜，杀其卢胡王、折兰王，俘虏浑邪王子及相国、都尉等，歼敌8960余人，缴获休屠王的祭天金人。匈奴浑邪王、休屠王等率败军逃走，汉兵在作战中亦伤亡7000余人。

同年夏天，霍去病再次西征，与合骑侯公孙敖领数万骑兵，从北地（今甘肃庆阳西北）出发，越贺兰山，绕居延泽，在祁连山与合黎山之间的黑河（今弱水上游）流域大破匈奴浑邪王、休屠王的军队，俘虏其五王及王母、单于阏氏、王子59人，相国、将军、当卢、都尉等63人，匈奴单桓王、酋涂王及相国、都尉等2500人投降，共斩敌3万余人。这次战役沉重地打击了匈奴右部，单于对接连失败的浑邪王、休屠王十分恼恨，要严加惩处，引起内讧。同年秋天，浑邪王杀休屠王，率众4万余人投降汉朝，武帝将他们安置在陇西、北地、上郡、朔方、云中五郡黄河以南的故塞之外，为五属国；又在河西陆续设置酒泉、武威、张掖、敦煌四郡，组织移民到那里定居。这次战役的胜利，沟通了内地与西域的直接交往，加强了中国与西方各国的经济、文化交流。匈奴失去了水草丰美的河西地区，经济上亦受到很大损失。

卫青出塞后，捕获俘虏，得知单于驻地，便率主力北进千余里，越过大漠，发现单于军队后，便下令用兵车环绕为营，以防突袭；又派出5000骑兵与敌人交战。至黄昏时，大风忽起，沙砾扑面，卫青乘机派部队从两侧迂回，包围了单于的营阵，激战至深夜，单于见汉军势众，自料不能取胜，率精骑数百突围，余众溃散。汉军歼敌19000人，获胜后遣轻骑追赶单于至天明，到况颜山（今蒙古杭爱山南端）赵信城，缴获匈奴大批屯粮，补充军需，尽焚其城与余粮而还。

霍去病率军出代郡，北进2000余里，渡过大漠，同匈奴左贤王军队交战，大获全胜，俘屯头王、韩王以下70400余人。左贤王及部将弃军逃走，汉军追至狼居胥山（今蒙古乌兰巴托东），凯旋而归。

漠北之战是汉匈奴战争中规模最大的一役，汉军损失数万人、马11万匹，而匈奴军队的损失更为惨重，两路被歼达9万余人，其力量大为削弱，一时无力南渡大漠侵扰，造成了“是后匈奴远遁，而幕（漠）南无王庭”的局面。此后直到武帝去世（前87年），汉匈之间虽然不断有零星的交战，互有胜负，但匈奴总的趋势是日渐衰落，再也不能对汉朝构成严重的威胁了。

汉武帝击败匈奴后，西汉与匈奴仍维持着“和亲”关系。不过，这时的“和亲”与汉初已大不相同。汉元帝于竟宁元年（前33年）将宫女王昭君嫁给呼韩邪单于，加强了汉与匈奴的友好关系，“昭君出塞”的故事，至今传为佳话。