在这一时期内，汉军以卫青、霍去病为将领，对匈奴展开三次重大反击作战，并取得决定性的胜利，夺回河套地区，也解除匈奴对长安的威胁；而被歼15万人的匈奴被迫退往大漠以北，人畜锐减，开始走向衰落。自此，“汉朝将北部疆界巩固在阴山一线”。
公元前121年，霍去病出击河西，俘获了匈奴浑邪王的儿子。不久，浑邪王杀了不肯投降的休屠王，率众降汉。这样，汉朝的疆域扩大到了整个河西走廊和湟水流域——即今青海湖以东、祁连山东北地区，先后设置了酒泉、武威、张掖、敦煌和金城五个郡。由于汉朝控制了河西走廊，通向西域的大门已经打开。“这一片原来是匈奴人和北方游牧民族的地方，汉武帝使之与内地联系起来，以后基本再也没分开过。”葛剑雄的评价是，“此举的意义不仅仅是一个政权对一个区域的控制，而更在于自此使中原文化进入了中亚地区，河西走廊也成为中西方艺术、文化、佛教等多方面交流的重要渠道。”
在汉武帝继位的第十年左右(公元前130年)，武帝就征发士兵推进西南，并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。
汉武帝刘彻影视形象
到公元前122年，汉武帝又恢复了对“西南夷”的开拓，一段时间的经营之后，汉朝在此陆续建立了七个郡，将西南边界扩展到今高黎贡山和哀牢山一线，“现在的西南基本包括在内，还有云贵高原、缅甸，都成为汉朝的领土。”葛剑雄说。
在东北，两汉初年，中原人卫满率领数千人进入朝鲜半岛，建立了自己的政权。公元前109年，武帝用兵朝鲜，次年朝鲜投降，“把东北疆界推至朝鲜半岛中北部和辽东一带”。
对岭南的统一已是大势所趋。虽然在汉之前，秦朝已在岭南建立了郡县，但并没有得到巩固。公元前113年，武帝召南越王来长安朝见。第二年，反对并入汉朝的南越丞相吕嘉杀了国王和汉使，发动叛乱。汉军分五路进攻，俘获吕嘉。
汉武帝刘彻塑像
汉朝在南越属地设置了八个郡，次年又跨海于海南岛上置珠崖、儋耳二郡，南部边界较秦时更为扩展。“汉朝边界那时已扩展到越南中部，建立日南郡”，所以“越南从汉武帝起一直都是中国的一部分”，直到10世纪独立。
有趣的是，我们还可以从保存至今的一些地名中嗅到两千多年前武帝征战的气息。《武帝纪》载：元鼎六年(公元前111年)，武帝东巡，来到左邑桐乡，听到攻下南越国都的好消息，遂将桐乡改置为“闻喜”；次年，武帝巡游至汲县新中乡，臣下汇报说已捕斩南越国丞相吕嘉，龙颜大悦，于是把新中改为“获嘉”——这就是今天山西闻喜县和河南获嘉县县名的由来。
西汉的疆域在武帝后期达到极盛。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。“汉武帝时期海南岛曾是汉朝领土，但到后来，因为人口有限，还没有从大陆大规模移民到海南岛的必要性，因为没有处理好民族关系，当地反抗势力一起，后来的皇帝(汉元帝)就放弃了。”葛剑雄介绍，同样的情形也发生在福建和浙江南部，导致人口全部撤出。除了这些局部的收缩以外，西汉的疆域基本上是稳定的，一直保持到了西汉末年。
