匈奴于同年秋出兵代郡杀都尉朱英。元朔六年（公元前123年），刘彻派大将军卫青率兵十余万出定襄数百里攻击匈奴，斩首一万九千多人，霍去病在此战中被封冠军侯。
元狩元年（公元前122年），刘彻平息淮南王刘安、衡山王刘赐叛乱，诛杀数万人，两国被除，设置郡，并颁布左官律和附益之法。
元狩二年（公元前121年）春，刘彻任命骠骑将军霍去病率领万骑出陇西，过焉支山出击匈奴，杀死匈奴折兰王、卢侯王，俘获浑邪王子及相国、都尉等大批官员，歼灭匈奴军近九千人。
同年夏天，霍去病再率数万骑兵出击，行军千余里，越过居延泽，攻至祁连山，俘获匈奴单桓王、酋涂王及相国、都尉等2500人，斩杀3万余人。
匈奴浑邪王率4万余人归汉。汉朝在河西地区设置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，控制了河西走廊，打通了通往西域的道路。
元狩四年（公元前119年），刘彻派卫青、霍去病各率5万骑兵及数万步兵分两路深入漠北，寻找匈奴主力决战。
卫青与匈奴单于主力遭遇，以武刚车环绕为营，双方激战整日，单于在傍晚时分率数百骑突围向西北逃走，卫青追击至阗颜山赵信城。
霍去病则率军北进两千多里，越过离侯山，渡过弓闾河，与匈奴左贤王部接战，歼敌七万余人，俘虏匈奴屯头王、韩王等3人及将军、相国、当户、都尉等83人，在狼居胥山举行祭天封礼，在姑衍山举行祭地禅礼，兵锋一直逼至瀚海（今贝加尔湖）。
经此一役，匈奴在漠北被汉军沉重打击，匈奴单于逃到漠北，此后匈奴长期不敢再大规模入侵汉朝边境。
汉武帝在政治上，建立中朝，在地方设置刺史，加强对地方的监察和控制；采纳主父偃的建议，颁行推恩令，解决王国势力问题；将盐铁和铸币权收归中央。
经济上，改革币制，实行盐铁官营、均输平准等制度，颁布算缗、告缗令，增加政府收入。
文化上，采纳董仲舒的建议，“罢黜百家，尊崇儒术”，设立太学，培养人才。
对外关系上，派张骞出使西域，开辟丝绸之路；又派兵征服闽越、东瓯、南越、卫氏朝鲜，经营西南夷，在其地设置郡县。
然而，汉武帝晚年也有一些失误。
他穷兵黩武，致使民力疲惫；崇信方术，追求长生不老；还发生了“巫蛊之祸”，导致太子刘据自杀。征和四年（公元前89年），刘彻下轮台诏，拒绝桑弘羊募民屯田轮台的建议，自我反思，调整政策。
后元二年（公元前87年），刘彻驾崩，传位幼子刘弗陵（汉昭帝），谥号孝武皇帝，庙号世宗，葬于茂陵。
西汉史学家司马迁评价刘彻“外攘夷狄，内修法度，封禅，改正朔，易服，汉朝隆盛在这一时期”；
北宋宰相司马光则认为刘彻“穷奢极欲，繁刑重敛，内侈宫室，外事四夷，信惑神怪，巡游无度，使百姓疲敝，其过失不亚于秦亡的过失”。
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