漢武帝在位時期，憑藉文、景以來積聚的社會財富和充足的兵源，對漢初統治區周邊地區展開了一系列戰爭，進一步鞏固和拓展了漢王朝的疆域，也加重了人民的負擔。
西漢時期的集兵方式以徵發兵役為主，武帝以後輔以志願兵、謫兵和刑徒兵制。徵兵制規定：男子自成丁之年（漢初沿秦制為17歲，景帝時為20歲，武帝以後為23歲）至56歲期間，需要服兵役兩年。其中一年在本郡服役，為材官（步兵）、騎士或樓船（水軍），稱為正卒；一年或在京師宿衛，稱衛士，或赴邊郡屯戍，稱為戍卒。
這種兵制在小農經濟相對穩定、戶籍管理較為嚴密的條件下，為國家提供了充足的兵源。
反擊匈奴
楚漢戰爭之際，北方的匈奴又強盛起來。匈奴首領冒頓單于以30餘萬精銳騎兵，東敗東胡，北服丁零，西逐大月氏，重新占據河套。其統治區域東起今朝鮮邊界，橫跨蒙古高原，與氏羌相接，向南延伸到河套以至於今晉北、陝北一帶。
漢高祖七年（前200），冒頓領兵大舉南下，與反叛的韓王信連兵圍晉陽（今山西太原）。劉邦親自率兵迎擊；被匈奴騎兵圍困於平城白登山（今山西大同東北），歷七天七夜方才脫身。
劉邦脫圍後，深感國力虛弱，被迫採納婁敬建議，取宗室女為公主，嫁給單于為閼氏，與之和親。同時，每年饋贈絮繒酒食等禮物給匈奴，開放漢與匈奴之間的關市，以緩和匈奴的侵擾。
文景時期，繼續與匈奴和親，厚予債贈，但匈奴仍然不時侵犯漢朝邊境，每次入塞，都大掠人畜，毀壞莊稼。
文帝十四年（前166），匈奴14萬騎南下，前鋒迫近長安，火燒回中宮。為了抵禦匈奴的侵擾，文帝用晁錯之議，募民「實邊」，在西北和北部邊郡設立30個牧馬場，訓練軍馬。
漢武帝即位後，積極準備反擊匈奴。元光二年（前133），武帝派馬岳（今山西朔州）人聶翁壹引誘匈奴進占馬邑，欲設伏一舉殲滅匈奴主力。單于人塞後發覺了漢朝的誘兵之計，中途退兵。
"馬邑之謀"雖未成功，卻揭開了反擊匈奴戰爭的序幕。此後，匈奴屢次大規模進攻漢朝邊郡，漢軍也不斷發動反擊和進攻。在長期的戰爭中，影響較大的是漢攻匈奴的3次戰役。
元朔二年（前127），匈奴入侵上谷、漁陽（今北京密雲一帶）。武帝遭車騎將軍衛青領兵出雲中，沿黃河北岸迂迴至隴西，奪取河南地（今河套地區），解除了匈奴對長安的直接威脅。隨後，漢在其地置朔方（今內蒙古杭錦旗北）、五原郡（今內蒙古包頭西北），募民10萬徙居其地，又重新修復了秦時所築的邊塞。
元狩二年（前121），武帝命驃騎將軍霍去病率兵遠征。霍去病出隴西，越過焉支山（今甘肅山丹境內）1000餘里，殺匈奴二王，俘獲渾邪王子及相國、都尉等大小首領，繳獲休屠王的祭天金人。同年夏，霍去病又從北地出擊，越居延海，南下祁連山，俘匈奴3萬餘眾。在漢軍的打擊下，匈奴貴族內訌，渾邪王殺休屠王，率部4萬餘人降漢。漢在其地陸續設置武威、張掖、酒泉、敦煌四郡，稱為"河西四郡"。
漢得河西四郡後，不但隔絕了匈奴與羌人的聯繫，而且打通了漢與西域的直接交通。在漢軍的多次打擊下，匈奴單于庭（首腦部）被迫向北遷徙。
元狩四年（前119），衛青、霍去病率領騎兵24萬、步兵及轉運者數十萬人，分東西兩路挺進漠北，窮追匈奴。衛青率西路軍從定襄郡（今內蒙古和林格爾西北）出發，在漠北殲滅單于主力，迫使單于率殘部向西北潰走，漢軍北至寘顏山趙信城（今蒙古杭愛山南）而還。
霍去病率東路軍出代郡（今河北蔚縣北），出塞2000餘里，與匈奴左屠耆王接戰，俘7萬餘人，至狼居腎山（今蒙古烏蘭巴托以東），臨瀚海（或今貝加爾湖）而還。這次戰役以後，匈奴主力向西北遠徙，而漠南無單于庭。
經過以上重大戰役，匈奴力量大為削弱，除對西域諸國還有一定控制能力之外，再也無力向東發展，百餘年來北方農業區域不斷遭受的匈奴威脅基本解除。
西漢王朝戰勝匈奴以後，北方邊地出現了新的局面。邊郡和內地之間，郵亭驛站相望於道，聯繫大為增強。中原的生產工具、耕作技術、水利技術，通過移民和屯田的戍卒，在邊郡迅速傳播。同時，匈奴文化也傳到中原，其先進的養馬技術促進了漢朝養馬業的發展。
漢朝從令居（今甘肅永登西）西北西至玉門關，修起了屏障河西走廊的長城，敦煌以西至鹽澤（今新疆羅布泊）也修建了亭燧。這些屯田區、城堡和烽燧，成為先進經濟、文化的傳播站，對於促進匈奴和其他相鄰遊牧民族社會的發展，起到了很大的促進作用。
匈奴向西北遠徙後，部落貴族發生分裂，出現五單于爭立的局面，隨後分裂為南北兩部。南匈奴呼韓邪單于降漢，北匈奴郅支單于被追西遷，後被漢軍襲殺。竟寧元年（前33），漢元帝以宮人王嬙（昭君）嫁給呼韓邪單于，恢復與匈奴的和親，結束了漢同匈奴間的對峙局面。
經略西域
兩漢時期，人們把玉門關、陽關以西乃至中亞及更遠的地方稱為西域。西漢初年，西域共有36國，絕大多數分布在塔里木盆地南北邊緣的綠洲上。
盆地南緣有且末、抒彌、于闐、薩車等國（南道諸國）；盆地北緣有焉耆、尉型、龜茲、姑墨、疏勒等國（北道諸國）。天山以北的準噶爾盆地是一個遊牧區，盆地以南的天山缺口為車師所扼制；西部的伊犁河流域原來居住著塞種人，後來遊牧於敦煌、祁連山一帶的月氏人為匈奴所逼遷到這裡，趕走了塞種人。不久，烏孫人攻入伊犁河流域，趕走月氏人，占領了這一地區。
烏孫人逐水草而居，與匈奴同俗，原來遊牧於敦煌、祁連山之間，後來被月氏攻破，因而依附於匈奴，隨後又擺脫了匈奴控制。
西域諸國語言不一，互不統屬，多以城郭為中心，兼營農牧，有的還能自鑄兵器。由於受自然條件的限制，除烏孫有眾63萬口以外，一般只有幾千人到二三萬人，最小的只有一二百人。匈奴強盛後，出兵征服了西域諸國，置"僮僕都尉"於北道的焉耆、危須、尉犁之間，經常搜刮西域各族的財富。
漢武帝得知西遷至媯水（今土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦境內阿姆河）流域的大月氏有報復匈奴之意，就募人出使大月氏，想聯絡他們夾攻匈奴。
建元三年（前138），漢中人張騫以郎應募，率眾百餘人出隴西向西域進發。張騫在西行途中被匈奴所俘，居十餘年，後尋機逃脫，西越蔥嶺，經大宛（今吉爾吉斯斯坦費爾干納）、康居（今烏茲別克斯坦塔什干）到達大月氏。
大月氏自認為新居之地肥饒安定，無意東返故地。張騫沒能實現聯絡大月氏人的目的，於元朔三年（前126）返回長安。他的出使獲得了大量前所未聞的西域資料，也擴大了漢朝的影響。
自從西漢控制了河西地區，鹽澤以東地區基本不見匈奴蹤跡，漢與西域之間的道路由此暢通。元狩四年（前119），張騫率300多隨從，攜帶牛羊萬數，金幣絲帛巨萬，再度出使西域。此行的目的，是要招引烏孫返回河西故地，以「斷匈奴右臂」，並與西域各國建立穩定聯繫。
張騫到達烏孫時，恰逢烏孫內亂，因而未能達到勸說烏孫東歸的目的。不過，張騫分遣副使出訪了大宛、康居、大月氏、大夏（今阿富汗北部）、安息（今伊朗）等國。元鼎二年（前115），張騫借同烏孫使者返抵長安，由他派往大月氏等國的副使也同各國報聘漢朝的使者陸續返回，漢朝同西域各國的友好關係終於建立起來。
但是，西域東端的樓蘭、車師在匈奴的策動下，經常劫掠漢使，遮斷道路。為確保西域通道，漢於元封三年（前108）遣王恢擊破樓蘭，遣趙破奴告破車師，並在酒泉至玉門關一線設立亭障，作為供應糧草的驛站和防守的電所。
元封六年（前105），漢以宗室女細君嫁給烏孫王，與烏孫和親。細君死後，漢又以宗室女解憂同烏孫繼續和親。漢廷通過和親的方式，加強了與烏孫的關係，使烏孫成為從側後鉗制匈奴的重要力量。
宣帝神爵二年（前60），匈奴內部分裂，西部的日逐王降漢，匈奴設在西域的僮僕都尉從此撤銷。漢於是設西域都護，治所在烏壘城（今新疆輪台農北），首任都護是鄭吉。都護統轄南道和北道各國，督察烏孫、康居諸國動靜，頒行朝廷號令，諸國有亂，有權發兵征討。西域各國與漢朝的臣屬關係至此完全確定。
平定東南
東南的越人，早在秦代已在郡縣體制下與漢人雜居。秦末，閩越和東甌的首領都曾起兵反秦，並助漢滅楚，因此先後被封為王。武帝建元三年（前138），閩越發兵圍東甌，東甌向漢求援。武帝派嚴助發會稽郡兵浮海救援閩越退走。
東甌人為避免閩越的威脅，請求內徙。漢使其遷居江淮之間，成為漢朝的編戶齊民。元封元年（前110）冬，漢發兵攻滅閩越，把閩越人也遷徙到江淮一帶。此後，居住在江淮之間的閩越、東甌人逐漸與漢人融合，而留在原地的越人則分散在山嶺中，與漢人來往較少。
秦漢之際，南海郡郡尉趙佗割據南海、桂林、象郡，自立為南越王，都番宗禺（今廣州）。南越出產犀、象、玳瑁、珠璣、銅、銀等，吸引了許多中原的商賈。
武帝建元六年（前135），南越王趙胡（趙佗之子）派太子嬰齊宿衛長安。後來嬰齊之子趙興繼任為王，按其生母璆太后（邯鄲人）的意見，上書請求自比諸侯內屬，並請漢朝撤除邊境關塞。南越丞相呂嘉等堅決反對，並發動宮廷政變，殺趙興、繆太后及漢朝使者。
元鼎五年（前112），武帝派遣路博德、楊仆等領兵分五路攻入南越，會師番禺，俘斬呂嘉，西甌40餘萬人降漢。漢在南越、西甌及其相鄰之地分設儋耳、珠崖、南海、蒼梧、鬱林、合浦、交趾、九真、日南9郡。
開通西南
西漢時的西南地區，分布著許多語言、習俗不同的民族，當時統稱為「西南夷」。大體說來，貴州西部有夜郎、且蘭；雲南滇池附近有滇，洱海防近有鶴、昆明；四川西昌有邛都，雅安附近有徙、作都，成都以北有冉。其中，夜郎、滇、邛都等族皆盤發於頂（椎發），從事農耕，有邑聚君長；昆明等族則編發為辮，過著遊牧生活。
西漢初年，西南各族與巴蜀等地維持著商品交換關係，漢人商賈從西南夷運出作馬、髦牛和奴隸；巴蜀的鐵器和其他商品也運入西南夷中，有的還經由夜郎浮牂柯江（今北盤江）轉運到南越。
武帝建元末年，派唐蒙領兵前往夜郎，企圖發夜郎兵浮江抄襲南越，繼而又派司馬相如招撫邛都、作都，在其地設置都尉和十餘縣，隸屬蜀郡。稍後，漢在夜郎及其鄰近地區設置犍為郡（治今四川宜賓），並發卒修築自僰道（在今四川宜賓）通向牂柯江的山路。
張騫出使大夏時，曾在那裡見到邛竹杖和蜀布，據說來自身毒（印度），由此判斷巴蜀與身毒可以交通。武帝據此於元狩元年（前122）派使者自巴蜀四出，尋找通往身毒的道路。但由於嶲、昆明等族的阻攔，始終未達目的。可是漢同滇的交通卻因此開通，漢對夜郎及其附近各族的控制也進一步加強。
元鼎五年（前112），漢發夜郎附近各族兵攻南越，且蘭等不聽調遣，反而殺害漢朝使者和犍為太守。次年，武帝發兵自巴蜀大舉南下，平定且蘭等族。然後陸續在且蘭設置牂柯郡（治今貴州黃平西），在邛都設置越郡（治今四川西昌東南），在莋都設置沈黎郡（治今四川漢源北），在冉駹設置汶山郡（治今四川茂汶北）。元封二年（前109），武帝出兵臨滇，降滇王，在其地設置益州郡（治今雲南晉寧），同時賜滇王王印，使之復治其民。