秦汉之际，匈奴冒顿单于杀死其父头曼单于，自立为单于，并且东击东胡，西攻月氏，南并楼烦、白羊河南王，统一了匈奴各部，逐渐强盛起来。楚汉相争时，由于无暇北顾，冒顿单于利用兵强马壮的优势，直接威胁到汉王朝在中国北部的统治。
汉武帝即位时形势图
前200年（汉高祖七年），汉高祖刘邦亲率大军32万征伐叛将韩王信，前锋行进至平城（今山西省大同市东北）时，被冒顿单于率精兵40万围困于白登山（今山西省大同市东北马铺山）达七日之久，虽然汉高祖用陈平之计得以突围，但“白登之围”后，西汉王朝不得不委实行“和亲”政策，并且每年送给匈奴大批棉絮、丝绸、粮食、酒等 ，以换取边境的安宁。
汉武帝即位时，疆域较小，基本上与秦朝疆域差不多，甚至实际控制区域还没有秦朝大，西南夷、东南三个小国南越、闽越、东瓯都属于半独立，北方匈奴时常南下，控制河南地，威胁关中京师长安，河西地区由匈奴控制。
汉武帝北伐匈奴不得不提到几个名将卫青、霍去病。汉匈大战成就了卫青与霍去病，时势造英雄。霍去病留下了一名“匈奴不灭，何以为家。”的名言。
北伐匈奴必备之物南车，用于在草原识别方向用。《中国战术史》记载:“在西汉最大的发明还是南车，南车上装‘司南’，有辨别方向之功能，尽管还很原始，但在汉匈百年大战中，却发挥了很大作用。它就是当时的‘指南针’。”
前提是文景之治奠定的坚实的经济基础。没有汉初七十余年的经济基础，哪里会有汉武帝的开疆拓土。汉景帝时平定吴楚七国之乱，政治上形成了强有力的中央集权，使汉匈双国的力量发生了巨大的变化。
汉武帝北伐匈奴：始于武帝元光六年（前129年），共历时四十四年之久，其中又可以取得漠北决战胜利为标志，划分为前后两个阶段，而以第一个阶段为主体。在这一时期内，汉军曾对匈奴展开三次重大反击作战（也有人称之为五大战役），并取得决定性的胜利，这就从根本上解决了匈奴的南下骚扰问题。这三次战略反击，分别是河南漠南之战、河西之战和漠北之战。
马邑之谋：元光二年（前133年）六月，武帝听从大臣王恢建议，让马邑人聂壹与匈奴交，诱引匈奴进攻马邑。匈奴军臣单于贪马邑财物，以十万骑入武州塞（今山西左云至大同市西一带）。武帝以韩安国为护军将军，李广、公孙贺、王恢、李息等为将军，率三十余万大军分别埋伏于马邑附近和代，企图引诱单于入侵，一举歼灭。但计谋被单于识破，未等汉军合围就撤走了。汉兵追之不及，罢兵。将军王恢以闻匈奴兵多不敢出击而被诛。“马邑之围”的计划虽未成功，但却使汉朝结束了自西汉初年以来奉行的屈辱的“和亲”政策，同时也拉开了汉匈大规模战争的序幕。
前129年，汉武帝兵分四路出击匈奴，分别以卫青、公孙敖、李广、公孙贺统军一万出击匈奴，公孙敖损兵七千，公孙贺无功而反，李广兵败被俘后逃回，卫青率军杀入匈奴祭祀天地的龙城，杀敌七百余人，获胜。
收复河南地之战：元朔二年（前127年），匈奴骑兵进犯上谷（今河北怀来东南）、渔阳（今北京密云西南）等地。汉武帝避实就虚，实施反击，派遣年轻将领车骑将军卫青率大军进攻为匈奴所盘踞的河南地。卫青引兵北上，出云中，沿黄河西进，对占据河套及其以南地区的匈奴楼烦王、白羊王所部进行突袭，驱逐了匈奴的白羊、楼烦王，收复了“河南地” 、陇西、北地、上郡的北部。汉武帝采纳主父偃的建议，在这里设置了朔方郡（治所在今内蒙古杭锦旗北）和五原郡（治所在今包头市西北），云中、雁门二郡的北界也向外扩展，并修缮了蒙恬所筑的城塞，西汉的北部疆界至此推到河套，阴山以北。
第二年，又暂时停止了在西南的经营，集中力量筑朔方城，且派苏建移内地民众十多万在朔方屯田戍边，进一步巩固边防。汉军收复河南地，抽掉了匈奴进犯中原的跳板，解除了其对长安的威胁，并为汉军建立了一个战略进攻的基地。
漠南之战：匈奴贵族不甘心失去河南地，数次出兵袭扰朔方，企图夺回河南地。汉武帝于是决定反击，在元朔五年（前124年）春发起了漠南之战。当时卫青任车骑将军，率军出朔方，进入漠南，反击匈奴右贤王；李息等人出兵右北平（今内蒙古宁城西南），牵制单于、左贤王，策应卫青主力军的行动。卫青出塞二三百公里，长途奔袭，突袭右贤王的王廷，打得其措手不及，狼狈北逃。汉军俘敌1万多人，凯旋归师。这一仗的胜利，进一步巩固了朔方要地，彻底消除了匈奴对京师长安的直接威胁，并将匈奴左右两部切断，以便分而制之。次年二月和四月，新任大将军的卫青两度率骑兵出定襄（今内蒙古和林格尔西北），前后歼灭匈奴军队一万多人，扩大了对匈奴作战的战果，迫使匈奴主力退却漠北一带，远离汉境。
河南地之战与漠南之战合称河南漠南之战，解除了匈奴对关中京师长安的威胁，并收复了河南地，建立朔方郡和五原郡，并移民戍边，有了一块攻击匈奴腹地的基地。也为汉武帝下一步实施河西之役并取胜提供了必要条件。
河南漠南之战后，汉武帝把战略方向瞄准了河西地区。前138年，曾派张骞为使寻找大月氏，寻求联合东西夹击匈奴，未能成功。张骞未达成这个目标，但使汉朝打开了一条通往西方的丝绸之路，司马迁称为凿空西域。建元三年（前138年）和元狩四年（前119年）两派张骞至西域，加强对西域统治和经济文化交流。
河西即甘肃的武威、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。它为内地至西域的通路，具有重要的战略地位。河西处祁连山与合黎山之间，为东西的通道，谓之河西走廊。水清草茂，久宜游牧。月氏和乌孙先于斯放马，以后匈奴插足在此，撵乌孙走了，并把月氏一分为二，小月氏融合于羌，大月氏出走西域，最终定居中亚。这时它仍在匈奴的控制之下，对汉朝的侧翼构成威胁。
河西之战：元狩二年（前121年）三月，骠骑将军霍去病率精骑万人出陇西，越乌鞘岭，进击河西走廊的匈奴。他采取突然袭击的战法，长驱直入，在6天内连破匈奴五王国。接着翻越焉支山（今甘肃山丹大黄山）千余里，与匈奴军鏖战于皋兰山下（皋兰此地乃是匈奴右部的所修筑的一座重要关塞，扼守着河西走廊这条重要的通道），连战皆捷，歼敌近9000人，斩杀匈奴名王数人，俘虏浑邪王子及相国、都尉多人，缴获了匈奴人祭天所用的珍宝“祭天金人”，凯旋而还。
前121年夏天，汉武帝为了彻底聚歼河西匈奴军，再次命令霍去病统军出击。为了防止东北方向的匈奴左贤王部乘机进攻，他又让张骞、李广等人率偏师出右北平，攻打左贤王，以策应霍去病主力的行动。霍去病率精骑数万出北地郡，绕道河西走廊之北，迂回纵深达1000多公里，远出敌后，由西北向东南出击，以秋风扫落叶之势，大破匈奴各部，在祁连山与合黎山之间的黑河（今弱水上游）流域与河西匈奴主力展开决战，杀敌3万余人，取得决定性胜利。霍去病共俘获匈奴名王5人及王母、王子、相国、将军等百余人，收降匈奴浑邪王部众4万，全部占领河西走廊地区，史称河西之战。
不久，浑邪王杀了不肯投降的休屠王，率众降汉，汉廷将他们分别安置于陇西、北地、上郡（今陕西榆林地区）、朔方、云中等五郡，定居在黄河以南塞外一带地区，称为“五属国”。这样，汉朝西部疆域扩大到了今整个河西走廊和湟水流域。同时得到了焉支山下的山丹军马场，使汉帝国有了产优良战马的地方。河西之战，给河西地区的匈奴军以歼灭性打击，使汉朝统治力量拓展于此，打通了通往西域的道路，也实现了“断匈奴右臂”的战略目标，为进一步大规模反击匈奴提供了可能。使匈奴人哀叹：“亡我祁连山，使我六畜不蕃息；失我焉支山，使我妇女无颜色。”对河西走廊的征服是中国历史上最重要的征服，从此中国打开了中亚的大门，也使中国有了一个了解世界的窗口。
为强化对河西的控制，在控制区域设置郡县和关隘，加强管理。这一区域此后一直在我国管辖控制之下，成为东西方交流的一条重要通道。“金张掖，银武威，玉酒泉”
河西设郡：汉武帝先后在河西设置了酒泉（扼守河西走廊西北要冲，因城下有泉，泉水若酒故名，治所在今甘肃酒泉市）、武威（即武功军威之意，治所在今甘肃武威市）、张掖（即断匈奴之臂、张汉朝之臂掖之意，治所在今甘肃张掖市西北）、敦煌（即敦实牢固、盛大辉煌之意，治所在今甘肃敦煌市西）和金城（治所在今甘肃永靖县西北）五郡，合称河西五郡。
五属国成立后，汉武帝在河西至盐泽之地设武威郡与酒泉郡（前121年设立），并移民戍边屯田，加强控制。前111年，汉武帝分武威郡地，置张掖郡，分酒泉郡地，置敦煌郡，再次移民戍边屯田，以进一步控制这一带。武威郡、酒泉郡、张掖郡和敦煌郡四郡，历史上称为“河西四郡”。不久在河西走廊设立两座军事要塞玉门关（敦煌西北方向）和阳关（敦煌东南方向），并设都尉。后设凉州刺史，凉州因“地处西方，常寒凉也”而得名。
经过漠南、河西两大战役的打击，匈奴势力遭到了重创，汉军已完全占 有了这场旷日持久反击战争的主动权。然而匈奴不甘心失败，仍继续从事南下袭扰的活动。匈奴单于采纳汉降将赵信的建议，准备引诱汉军主力至沙漠以北地区，寻机加以歼灭。汉武帝为了彻底解决匈奴问题，寻歼匈奴主力，从而解决匈奴边患问题，最终组织发起漠北大战。
漠北之战：元狩四年（前119年）春汉武帝集中了精锐骑兵10万人，由大将军卫青、骠骑将军霍去病各率精骑5万分别出定襄和代郡，沿东、西两路北进，深入漠北，寻歼匈奴主力。另以步兵几十万、马匹十余万配合骑兵主力的行动。
卫青部主力与匈奴单于相遭遇，此役虽然未能擒服单于，但一举歼俘匈奴军19000人，挺进到寘颜山（今蒙古杭爱山南端）的赵信城，尽烧其城和匈奴积粟而还。另一路，霍去病率军出代郡和右北平，北进1000余公里，渡过大漠，与匈奴左贤王部接战，尽歼其精锐，俘获屯头王、韩王以下70400余人。左贤王及其将领弃军逃逸，霍去病乘胜追杀，直抵狼居胥山（今蒙古乌兰巴托东），在山上祭天，又在姑衍山祭地，这就是著名的“封狼居胥”“禅姑衍山”，然后凯旋班师，史称漠北之战。
漠北之战是汉匈间规模最大、战场距中原最远、也是最艰巨的一次战役。此战汉军虽然付出了很大代价，但共歼匈奴9万余人，严重地削弱了匈奴的势力，使得其从此无力大举南下，造成了“是后匈奴远遁，而漠南无王庭”的局面。
此后，双方暂时休战，经过这次大决战，危害汉朝百余年的匈奴边患已基本得到解决。
汉武帝反击匈奴之战，从根本上摧毁了匈奴赖以发动骚扰战争的军事实力，使匈奴再也无力对汉王朝构成巨大的军事威胁。战争中，匈奴被歼人数累计高达15万之多，无力与汉争。匈奴失去水草丰盛、气候温和的河南、阴山和河西两大基地，远徙漠北苦寒之地，人畜锐减，开始走向衰落了。
汉武帝对匈奴战争的胜利，加强和巩固了边防建设，也帮助解除了东北、西北各少数民族所受匈奴的威胁，送去了汉族先进的农业、手工业技术和文化成就，促进各族人民的通商和友好往来，推动了边疆少数民族的发展和民族间的融合，也使中国同中亚、西亚各国的经济文化交流比较通畅地开展起来。汉武帝反击匈奴之战的胜利，在军事领域中推动了骑兵队伍的建设，积累了大规模骑兵作战的经验，促进了战术的革新。对于古代军事理论的建设和战争实践的发展均具有深远的影响，不亚于赵武灵王的胡服骑射改革。但也大大消耗了汉帝国的民力财力，到武帝晚年不得不下诏罪己，改变国策与民休息。
武帝后期，元鼎五年（公元前112年）、太初元年（公元前104年）、三年、天汉二年（公元前99年）、四年、征和三年（公元前90年）又进行了6次出击。除第三次小胜救回被掠数千人外，第一、五次无功而返；剩余3次遭重创或全军覆没，这大大消耗了汉帝国的国力，国内阶级矛盾尖锐，汉武帝意识到不惜民力、频繁远征的错误，下诏罪己（有名的轮台罪己诏），国家得到了一段时间的休养生息。这几次规模和影响力较小，不作详细解说。
武帝后期，基本上疆域已拓展到西域地区，到汉宣帝时于前60年设置了西域都护府管理西域地区，西域彻底并入我国版图。
汉武帝北伐匈奴同时，在占领区域内不断加强汉朝统治，移民戍边屯田，并设置郡县，巩固汉朝统治，大大扩展了汉帝国的版图。
