骠骑将军霍去病西征匈奴右地，开拓河西走廊，浑邪王部四万余人降汉，其后陆续设置四郡（酒泉、张掖、武威、敦煌），隔绝了羌人和匈奴的往来，控制了前往西域的道路。
卫青、霍去病等将领发动“度幕”作战，深入漠北，大破匈奴，从此匈奴远遁，“幕南无王庭”。但汉朝也付出了相当的损失，再加上霍去病在入塞两年后去世，此后“久不北击胡”，对匈奴的攻势告一段落。
对匈奴的战事告一段落后，刘彻又剑指其他方向，继续开疆拓土，派安国少季、终军等出使南越，说服南越王赵兴内附。但南越丞相吕嘉不愿归汉，杀死南越王赵兴及其母汉女樛氏，安国少季、终军等汉使亦遇害。刘彻遂派路博德、杨仆等发兵消灭南越，设置南海等九郡，将今广东、广西、海南以及越南中北部地区并入版图。
此后几年，又陆续平定西羌、卫氏朝鲜、东越、西南夷等政权或民族，将今青海东部、朝鲜半岛北部、云贵高原等地并入版图。
汾阴出土宝鼎，被认为是祥瑞之兆，刘彻命令讨论封禅事宜，并在三年后完成封禅泰山的盛典，改元元封。
封禅泰山，治定功成的象征，但刘彻并未停止用兵的步伐，还将兵锋移至更遥远的西域大宛，于是有了太初年间李广利西征大宛之役，经过数年苦战，终于斩大宛王，屯田于轮台、渠犁，初步控制西域。但匈奴在西域仍然保持较大的影响力，导致西域小国选择“两属”以自保，而匈奴经过十余年“休养息士马，习射猎”，元气有所恢复，再加上卫、霍已死，便拒绝按刘彻要求派太子入质汉朝，重新成为汉朝边患。
因此刘彻下诏征讨匈奴，企图彻底解决匈奴问题，然而前后数次征战皆不利，李陵、李广利等将领都投降匈奴。刘彻用兵数十年，造成民力疲敝，关东流民超过二百万人，不在户籍者四十万，出现了“城郭仓廪空虚，民多流亡”，“天下虚耗，人复相食”的局面。
重用酷吏的恶果，也日益凸显，盗贼四起，南阳有梅免、白政，楚有殷中、杜少，齐有徐勃，燕、赵之间有坚卢、范生等。
刘彻称之为“东方群盗”，一面加强关中的安保和纠察，严防关中豪杰与其交通；一面派光禄大夫范昆、诸辅都尉及故九卿张德等领兵镇压暴动，并派绣衣直指暴胜之等诛杀镇压不力的地方官吏，数年后才将“东方群盗”的领袖擒杀殆尽。
但其残部仍啸聚山林，难以剿灭，刘彻乃颁布“沉命法”，严厉督促地方官吏剿灭盗贼，但地方官吏畏惧法令，往往隐匿不报，如此形成了恶性循环。
除了社会危机的萌生，宫廷内部的斗争也日益激化，随着卫子夫色衰爱弛，刘彻又宠幸王夫人、李夫人等，生下多名皇子。
皇太子刘据长大后，对刘彻的穷兵黩武屡屡进谏，刘彻认为刘据不像自己，父子遂有所隔阂，卫子夫母子对此非常不安。刘彻发觉后，对卫青说：“汉家万事刚刚开创，加上四夷侵略欺侮中国，朕不变更制度，后世就无所效法，不出兵征伐，天下就不会安定，为此不能不让百姓劳累。如果后世又有像朕这么做的，这是重蹈已经灭亡的秦朝的覆辙。太子敦厚，喜欢安静，必定能安定天下，不让朕担心。要寻求一个守文之主，还有比太子更好的吗？听说皇后和太子心怀不安，哪有什么值得不安的？你去把朕的这个意思告诉他们母子。”卫子夫听说后，脱簪请罪，刘据每次进谏征伐四夷时，刘彻就笑道：“我来干劳苦的事，把安逸留给你，就不行吗？”
尽管如此，刘彻父子之间的矛盾并未缓解，朝中也分化为“用法大臣”为主的反太子派、所谓“宽厚长者”为主的亲太子派，卫青死后，刘据就更加孤立。
刘彻新宠赵婕妤怀孕十四个月，生下皇子刘弗陵，刘彻大喜，以与尧帝出生前怀孕的月数吻合为由，将赵婕妤的寝宫门命名为“尧母门”，这向外界传递出刘彻欲以刘弗陵取代刘据的信号，导致反太子派和亲太子派之间的斗争，日益白热化，终于酿成了“巫蛊之祸”，刘据兵败自杀，妻妾子女都遇害，卫子夫也自杀，卫氏家族随之被诛灭。
刘彻得知镇压刘据的丞相刘屈氂，欲立李夫人之子昌邑王刘髆为储君，便处死刘屈氂，又诛杀了在外征战的李广利，以及已被刘据杀死的江充等人的家族，清洗了反太子派，并建思子宫和归来望思之台，以表怀念。为太子伸冤的高寝郎田千秋则获得提拔，数月即超升至丞相，不过刘据唯一幸存的孙子（汉宣帝刘询）仍被关押在长安狱中，在负责治狱的丙吉的保护下得以平安成长。
刘彻亲赴东莱求仙，适逢暴风骤雨，流高潮涌，无法出海，停留十余日后返还。在封泰山、禅石闾以后，刘彻召见群臣，追悔以往的过失，命遣散方士，停止求仙。
搜粟都尉桑弘羊等，请求在轮台屯田，刘彻下《轮台诏》，否决其议，并强调“当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农，修马复令以补缺，毋乏武备而已”。自此以后，刘彻不再出兵，而且封丞相田千秋为富民侯，表明与民休息之意，又任命赵过为搜粟都尉，让他推广代田法和先进农具。
江充余党马通、马何罗等谋刺刘彻，近侍官员金日磾发觉，与另外两名近侍官员霍光、上官桀合力粉碎阴谋，保护了刘彻。
此时，刘彻年近七十，时日无多，开始安排后事。刘彻诸子中，齐王刘闳早死，昌邑王刘髆因刘屈氂之狱而被排除出皇位继承序列，燕王刘旦和广陵王刘胥，因违反法度而被疏远，刘旦派来请求入京宿卫的使者，亦被刘彻斩杀，以示警告。
这样一来，幼子刘弗陵成为唯一人选，刘彻为防止后宫干政，杀了刘弗陵的生母赵婕妤，并安排霍光、金日磾、上官桀与桑弘羊四人为辅政大臣，确保自己身后政局的平稳过渡。
刘彻病重，迁居于郊外长杨宫、五柞宫，期间有望气者说长安狱中有天子气，刘彻趁机下令处死关押在长安狱中的所有犯人，包括刘据之孙，却被丙吉极力阻止，刘彻遂感慨天意如此，放弃屠狱之令。
不久，弥留之际的刘彻正式下诏立刘弗陵为皇太子，霍光、金日磾、上官桀、桑弘羊在刘彻卧室内床下拜受顾命。
刘彻驾崩，下葬于茂陵，谥号孝武皇帝，刘弗陵即位，为昭帝。
