公元前156年，劉徹出生於長安，是漢景帝劉啟的第十子，其母王娡是漢景帝的第二任皇后，前153年，漢景帝立栗姬所生的劉榮為皇太子，劉徹為膠東王，前150年，漢景帝的姐姐劉嫖，因向栗姬為女兒陳阿嬌提親遭到拒絕，而劉徹的母親王娡卻許諾劉嫖讓劉徹娶陳阿嬌。因此，劉嫖不斷向漢景帝以毀栗姬，最終漢景帝漸漸地疏遠栗姬，並廢黜其子劉榮的太子之位，改立劉徹為皇太子，並立其母王娡為皇后。
前141年，漢景帝劉啟駕崩，終年48歲，在位16年。同年，太子劉徹即位，史為漢武帝，並立劉嫖的女兒陳阿嬌為皇后。前140年，漢武帝劉徹即位後，太皇太后竇漪房在朝中有很大的影響力，漢武帝也必須將政務向竇太后匯報。前139年，漢武帝命張騫出使西域，最終。張騫打通了漢朝通往西域的「絲綢之路」。前135年，竇太后去世，漢武帝得以完全掌握朝政。
前134年，漢武帝採納董仲舒的儒學統一天下的思想，開始施行「罷黜百家」，「表彰六經」。前133年，王恢向漢武帝提出「馬邑之謀」，試圖引誘匈奴君臣單于入境，並在馬邑谷中設伏滅之。漢武帝同意並派30萬大軍前去，但該計劃因行動不周而沒有成功，王恢也下獄自殺。此後，匈奴斷絕了與漢朝的和氣。更加頻繁入侵漢朝邊塞。
前130年，衛子夫因得到漢武帝的寵愛，而遭到皇后陳阿嬌的嫉妒和迫害，最終漢武帝以「巫蠱」為由廢除陳皇后。前129年，漢武帝命衛青率軍出擊匈奴，自此拉開了漢匈全面大戰。前128年，年近30的漢武帝終於有了第一個兒子劉據，於是漢武帝立劉據之母衛子夫為皇后，同時啟用衛子夫之弟衛青、外甥霍去病來開疆破土。
前127年，漢武帝採納主父偃的建議實行「推恩令」，規定諸侯王死後，除嫡長子繼承王位外，其他子弟也可以分割王國的一部分土地，由此，諸侯國被越分越小，削弱了諸侯王的勢力。前121年，漢武帝命霍去病西征匈奴，此戰霍去病殲滅數萬匈奴主力，並控制了前往西域的道路。前119年，漢武帝命衛青、霍去病、李廣等人遠征匈奴，此戰霍去病深入漠北數千里，大破匈奴7萬餘人，從此「匈奴遠遁，漠南無王庭」。但將軍李廣因迷失道路回朝後自殺。前117年，年僅24歲的霍去病病逝，漢武帝對匈奴的攻勢告一段落。
前110年，漢武帝發兵滅亡南越，自此，今廣東、廣西、海南以及越南中北部地區併入漢朝版圖。前112年，漢武帝開始頻繁巡行郡國，加強對地方的控制。不過，漢武帝巡行也包含了求仙問鬼等消極方面。前110年，汾陰出土寶鼎，被認為是祥瑞之兆，於是漢武帝率群臣至泰山封禪。前109年，「漢武帝建造銅仙人承露盤」來承接天上的甘露，並將甘露摻獲玉屑飲服，以求得仙道長生。前107年衛滿即位後，朝鮮越來越強盛，於是漢武帝發兵滅亡衛滿，朝鮮併入漢朝版圖。
前104年，漢武帝聽說大宛國出產好馬，於是派使臣攜帶千金前去換取，但由於雙方爆發衝突，漢朝使臣被殺。漢武帝大怒，令李廣利率兵征討。經過兩次遠征，漢軍損失慘重，最終還是攻克了大宛首都，並殺死大宛王，另立國王，從此大宛附屬漢朝。前101年，漢武帝為徹底解決匈奴問題，再次派軍征伐匈奴。然而前後數次征戰不利，李陵、李廣利等將領也都投降匈奴。
前94年，漢武帝新寵的勾弋夫人懷孕14個月後生下劉弗陵，漢武帝大喜，而外界透露出漢武帝寓意劉弗陵取代劉據的太子之位，最終釀成了「巫蠱之禍」。太子劉據兵敗自殺，皇后衛子夫也隨之自殺，魏氏家族自此被誅滅。前87年，漢武帝歷年僅八歲的劉弗陵為皇太子，為防止後宮干政，呂后之事重演，漢武帝殺了劉弗陵的生母勾弋夫人。同年，漢武帝劉徹病逝，終年70歲，在位54年。葬於茂陵。