早在公元前138年，武帝为了招引大月氏回敦煌、祁连山旧地，以便共同打击匈奴，曾经派张骞出使西域。由于往返时都被匈奴扣留，13年后张骞才回国复命。尽管没有达到联络大月氏的目地，但张骞亲历了大宛(在今中亚费尔gān纳盆地)、康居(在今哈萨克斯坦巴尔喀什湖和咸海之间)、大月氏和大夏(在今阿富汗北部)等中亚国家，使汉朝了解了这一地区的具体情况。在公元前119年，汉军又一次大败匈奴以后，武帝派张骞再次出使乌孙。到乌孙后，张骞派副使出使大宛、康居、大夏、安息(今伊朗一带)、身毒(今印度)等国。到公元前115年张骞回国，汉朝与西域和中亚、西亚的jiāo通从此开通，外来文化的输入也自此开始，历史上著名的“丝绸之路”也从此演绎或喜或悲的故事。
但是汉朝与匈奴在西域的争夺并没有结束。西域大致在今天的新疆一带。武帝对西域发动了几次军事行动，最大的一次出动了十几万兵力、十几万头牲口和十几万民工，征服了大宛。由于jiāo通线太长，补给困难，汉朝虽然控制了天山南路，但对天山以北还不能经常控制，那里的国家还受到匈奴的威胁，不敢完全服从汉朝。后来又经过多次战争，直到宣帝神爵二年(公元前60年)，汉朝终于取得决定性胜利，完全控制了天山北路，设置了西域都护府。
武帝针对匈奴的战事，取得了重大的胜利。一方面减少了匈奴对汉朝的威胁;另一方面拓展了汉朝西北边疆的领土，打通了汉朝与西域和中亚、西亚的jiāo往，也打通了中西文明jiāo往的通道。但是，这些战争充满了太多的血腥气味。班固的《汉书》记载，将军卫青攻打匈奴时，曾斩首三千，后斩首和俘虏近一万;霍去病先后斩首匈奴人八千，斩首和俘虏三万。而武帝不但未加以斥责，而且却予以奖赏。这种滥杀无辜的行为多少损害了武帝明君的形象。
南部的拓展
公元前138年，南方的闽越围攻东瓯，东瓯向朝廷求救。武帝立即派军队渡海前往救援，迫使闽越解围撤回。东瓯人怕汉军撤退后闽越会卷土重来，便迁徙到长江和淮河之间的地区。
三年后，闽越王郢進攻南越。武帝在接到南越报告后，派兵救援。闽越王的弟弟馀善杀了郢，向汉军投降。由于汉军无法久驻，武帝还是保留了闽越国，立馀善为王。但馀善依然反复无常，因此到公元前111年，汉朝灭南越后，武帝派兵攻占了闽越，馀善被部下所杀，闽越人大部分被迁往江淮之间，当地几乎成了无人区。直到西汉后期，遗留下来的越人逐渐增加，才重新在今天的福州恢复了冶县，以今天浙江台州市椒江区一带设立了回浦县，隶属于会稽郡(治所在吴县，今江苏苏州市)。
为了向西南开拓，大约在公元前130年，武帝征发巴、蜀二郡(约相当今四川东、中部)的士兵从僰道(今四川宜宾市西南安边场)向牂柯江(今北盘江和红水河)筑路，并新设了一个犍为郡，治所就设在僰道。在这种情况下，“西夷”的邛(今四川西昌市一带)、笮(今四川盐源县一带)的首领请求归属，汉朝在那一带新设了十几个县。但由于筑路工程非常艰巨，加上汉朝正忙于对付匈奴，一度曾取消了部分新设的县。公元前122年，汉朝恢复了对“西南夷”的开拓。几年间，川西高原和云贵高原上的部族如邛都、笮都、冉駹、白马、且兰、夜郎等都已纳入汉朝的统治，武帝在这些部族的地区新置了五郡。公元前 109年，又在滇和昆明这两个部族的地区建立了益州郡(治所在今云南晋宁县东)，汉朝的西南边界扩展到今云南高黎贡山和哀牢山一线。
对岭南的统一也已是大势所趋。公元前111年，武帝派兵灭了南越和闽越，并分别设置了郡县。
自此，武帝对南方的拓展结束，重新确立了汉朝南部的疆域。
东北部的拓展
西汉初年，中原人卫满率领数千人進入朝鲜半岛，建立了自己的政权。这时朝鲜的疆域大致包括今辽宁东部、吉林西南和朝鲜半岛的西北部。公元前109年，武帝派兵灭了朝鲜，并设置了玄菟、乐làng、临屯、真番四郡，辖境南至今天的汉江流域。
评说
西汉的疆域在武帝后期达到极盛。这时，西汉的疆域在西北包括今天的新疆和甘肃地区，东北方向的版图则扩展到了现在辽东半岛和鸭绿江和浑江一带，西南则到达今云南高黎贡山和哀牢山一线，南方到达福建、广东琼崖。但由于扩展太快，建置过多，兵力和财力不能适应，加上有些地方官的苛政引起当地民族的反抗，所以以后局部地区不得不有所收缩。除了一些局部的收缩外，西汉的疆域基本上是稳定的，一直保持到了西汉末年。
不过，武帝连年的四面对外征战，特别是对匈奴20余年的战争，耗费了大量的人力和物力，这为西汉的衰败埋下了伏笔。
对内政策
武帝在对外开疆拓土的同时，也开始在国内实施改革。改革旧制是武帝一直致力追求的。武帝元朔元年的诏书上说：“朕闻天地不变，不成施化;yīn阳不变，物不畅茂。” 元朔六年诏书又说：“五帝不相复礼，三代不同法。”
改革的目地当然是如何使百姓生活得富足幸福。
元光三年，董仲舒上策论三篇，史称“天人三策”。武帝召见他并问：“三代受命，其符安在? 灾异之变，何缘而起? 性命之情，或天或寿，或仁或鄙，习闻共号，未烛厥理。伊欲风流而令行，则轻而jian改，百姓和乐，政事宣昭，何修何饬而膏露降，百欲谷登……德泽洋溢，施平方外，延及群生?”
意思是：夏商周三代受命的根据何在? 天地之间的灾异为什么而发生?人寿的长短、人性的善恶是根源何在?如何教理? 怎样才能做到令行禁止、政事祥和、五谷丰登，使天下百姓都生活得快乐幸福?
这些问题说明他对如何治理国家考虑得很远很深。他所探索思考的不是一时应变之权，而是国家的长治久安。
在治国思想上，武帝采用了董仲舒的“罢黜百家、独尊儒术”的主张，开始加qiáng中央集权，对付地方的诸侯势力。“罢黜百家、独尊儒术”qiáng调独尊儒家，废除其它百家学说;qiáng调君王的权利来自上天的赐予;此外，还qiáng调实施仁政，“德主刑辅”。这是一种刚柔相济的治国方针，在被武帝采用之后，成为此后汉朝其他皇帝治理天下的指导思想。
为了加qiáng中央集权，武帝具体采取的措施首先是削弱相权。当时的丞相负责管理文武百官，实权很大，所以皇帝有时就不如丞相的权力大，这是皇帝们所不能忍受的。武帝削弱丞相权力有一个很有利的条件，就是原来做丞相的那些人都是开国的功臣，而现在他们基本上都已经年老，或者去世。武帝便利用这个有利的时机来让众多的儒生代替元老们，掌握国家政权，同时通过打击丞相来加qiáng自己的权力。公元前124年，武帝便让平民出身的儒生公孙弘来做丞相，这样就改变了以前总是由贵族来做丞相的惯例。
随后，为了削弱诸侯权力，颁布了《推恩令》。内容主要包括：诸侯王的王位除了由嫡长子继承以外，还可以用“推恩”(也就是广布恩惠，让更多的人来享受特权)的形式把其他的儿子在本侯国内分封。新的侯国就脱离原来王国的限制，地域独立，而且政治权力也基本被剥夺，受当地郡县官吏的管辖。这样，就使原来独立的地方王国自动的将权力上jiāo给了国家。此后，地方的王与侯仅仅享受物质上的特权，即享用自己封地的租税，但是没有了以前的政治特权。这样就很自然的解决了以往诸侯与中央政府对抗的问题。