經過「文景之治」之後，漢代在經濟上有了一定的恢複與發展，到了武帝初年，國家已有了比較充足的積蓄，加上吳楚七國之亂平定後，漢朝內部潛在的分裂割據威脅也已基本消除了，在這樣的前提下，胸懷大略的漢武帝便將注意力轉向對付境外的敵人，開始了開拓疆土的活動。
（1）西南夷地區的開闢
漢時的西南夷地區，大致相當於今四川西部和西南部、甘肅南部、貴州西方、雲南和今國境外相鄰地區的各民族地區。當時分布在今烏江、金沙江流域的有夜郎、滇、邛等國。
建元六年（公元前135年），漢武帝命唐蒙率兵出使南夷，勸說夜郎國及其周圍的小城歸附漢朝，他們均表示願意接受。於是以漢朝的廣漢郡南部，合夜郎國及其周邊小城，設置了犍為郡。其轄境初期範圍很大，相當於今四川簡陽、彭山等縣以南，雲南東部、廣西西北部和貴州大部所組成的區域。
元光年間（公元前134——前129年），司馬相如上書漢武帝，認為西夷的邛（今四川西昌一帶）、笮（今四川鹽源一帶）也可以設立郡縣，於是武帝派他出使西夷，在邛崍山以南設置了一個都尉和十多個縣，隸屬蜀郡統轄。後來由於西南夷地區交通極其不方便，雖然漢廷調集了許多人力來修築道路，但並沒有什麼收效，加上當時武帝又忙於應對北方的匈奴，因此，只好暫時將所設的西夷十幾個縣取消；但是為了對付南越，從軍事角度考慮，在南夷仍保留了所設的犍為郡，下轄兩個縣與一個都尉的範圍。
漢朝對匈奴的戰爭取得絕對勝利後，再度將開拓的重點轉向了西南夷地區。元鼎五年（公元前112年）秋，武帝讓弛義侯從犍為郡徵發南夷的軍隊，跟隨漢朝的其他隊伍平定南越呂嘉的叛亂。夜郎旁的小城且蘭（今貴州黃平西南）的君長，因害怕自己的軍隊隨漢軍遠征南越後周圍的部族會藉機對他們進行攻擊，於是聚眾起來進行反抗，殺死了漢使者與犍為郡的太守。漢朝於是用原來應當去打擊南越的八校尉兵對之進行鎮壓，將且蘭攻破。第二年，因南越已被漢朝攻破，便讓八校尉兵就地平定整個南夷地區，滅掉了阻擋漢朝通往滇國道路的頭蘭，佔領了牂柯江以南到勞水（今黑水河）一帶的廣大地區。於是，漢朝用犍為郡南部合新開的南夷地，設立了牂柯郡。隨後，漢朝又殺掉了邛君、笮侯，在西南夷地區，依據各個少數民族的地理分布，設立了四個郡。它們分別是：以廣漢郡西部的白馬氐設置的武都郡、以蜀郡北部的冉駹（今四川茂汶北）建立的汶山郡、以蜀郡西南部的笮都設立的沈黎郡、在沈黎郡以南的邛都設置的越雟郡（參見《武帝元鼎六年——天漢四年西南諸郡（部分）示意圖》）。
元封二年（公元前109年），武帝又調遣巴蜀的軍隊，將不肯歸附漢朝的滇國（今雲南東部滇池附近地區）旁的一些小城滅掉，迫使滇國國王投降，武帝於是以滇地合牂柯郡西部而設置了益州郡。又過了幾年，漢朝降服了昆明，也將其地併入了益州郡的領域。至此，西南夷地區完全納入了漢朝的版圖，使漢的西南疆界達到今天的高黎貢山與哀牢山一線，而且按照郡縣制的體制，由中央政府直接進行管理。
不過，由於在設立時缺乏周密的考慮，有的郡領域有限，人口稀少，不適合再存在下去，因此，在武帝末年，撤除了沈黎郡，宣帝地節三年（公元前67年），又撤銷了汶山郡。兩郡原來的轄地都併入了鄰近的蜀郡。
（2）嶺南地區的征服
前文曾經提到，秦朝曾在嶺南地區設立過南海、桂林、象郡等三郡。在秦亡之後，這三郡之地被南海尉趙佗佔據，建立了南越國。漢朝初年，由於國力還不夠強大，沒有力量對付遠在嶺南的南越國，這樣趙氏政權便得以延續了差不多一百年的時間。到了武帝時，征服南越國的問題又隨著國力的增強而提上了日程。
元鼎五年（公元前112年），南越國丞相呂嘉發動叛亂，殺死南越王與漢使，陳兵於邊界之上。武帝得知後，下令徵集了越人與江淮以南十萬軍隊，分兵五路前去討伐。伏波將軍路博德率一路人馬從桂陽（今湖南郴州）沿湟水（今連江、北江）而下；樓船將軍楊仆帶領一路軍隊由豫章（今江西）出兵，經橫浦關（今江西大余縣大庾嶺南）入南越。另外三路中，有兩路軍隊是從零陵（今廣西全州西南）和蒼梧（今潯江流域）出發，有一路則是在夜郎徵集的軍隊，沿牂柯江（今北盤江、紅水河）而下。這五路大軍原計畫在南越國的都城番禺會師，結果先到的楊仆與路博德兩路隊伍，不等其他三路人馬到來，便完成了將南越國全境平定的任務。
於是在元鼎六年（公元前111年），武帝把原來秦國所設的桂林、南海、象郡三郡之地，分置成南海、蒼梧、合浦、鬱林、象郡等五個郡。又將原南越王趙佗在文帝時所設的位於象郡以南、在今越南境內的交趾、九真兩郡，承襲下來，並在這兩郡以南設立了日南郡，漢朝的南疆由此擴展到了今越南的中部地區。元封元年（公元前110年），漢軍又渡海奪取了海中大洲，也就是今天的海南島，在那裡設立了儋耳郡與珠崖郡。至此，武帝在嶺南地區先後共設置了十個郡。
但是，由於在今海南島的民眾不斷反抗地方官的殘暴統治，漢朝在那裡的統治一直不能穩定下來。因此，到了昭帝始元五年（公元前82年），便將儋耳郡併入了珠崖郡；元帝初元三年（公元前46年），珠崖郡的山南縣人民又起來反抗，當地的政府無法在那裡繼續維持下去，元帝於是接受大臣賈捐的建議，將珠崖郡也最終放棄了。
（3）漢與匈奴在北方的爭鬥
秦朝末年，匈奴在冒頓單于的率領下，趁秦軍忙於應對農民起義之際，不僅將秦將蒙恬當年奪取的土地全部收回，而且還繼續南下，控制了一部分戰國時期秦、趙、燕的故地。等到劉邦消滅了競爭對手項羽，匈奴的勢力已經十分壯大，對漢朝所構成的威脅自不待言。從高帝到武帝初年，漢與匈奴之間曾有過多次交兵，但由於漢的力量不夠強大，國內又存在著諸侯王的分裂割據危機，因此無法將匈奴制服，只得採取權宜之計，用和親等對匈奴有利的辦法，換取暫時的邊地安寧。然而，即使如此，匈奴在邊地的小規模侵擾依然不斷，成為漢朝北部邊地很大的憂患。
武帝時，隨著國力的日益強盛，對匈奴實施反擊的條件已經成熟，於是他開始著手調兵遣將，從元光六年（公元前129年）起，向匈奴發起進攻。兩年之後，大將衛青帶領漢軍從雲中（今內蒙古土默特川一帶）出發，奪取了河套南部的「河南地」，然後一直又打到隴西，俘虜了幾千匈奴兵，武帝便在這一帶設立了朔方郡，進行管理。這樣漢朝的邊界線便到了今陰山山脈一線。
漢朝在佔據了「河南地」之後，又將進攻的重點轉向了河西走廊。元狩二年（公元前121年），霍去病率領漢朝的軍隊兩次出擊匈奴，攻入了河西走廊，匈奴的渾邪王殺死了休屠王，帶領四萬多人歸降漢朝。武帝於是在其地設置了酒泉、武威、張掖、敦煌四郡，這樣，漢朝便控制了整個河西走廊與湟水流域，阻斷了匈奴與西羌的聯繫，打通了通往西域的道路，以便經營西域，進一步打擊匈奴。
（4）朝鮮四郡的開置
早在戰國末期，燕國已開始控制朝鮮半島北部的朝鮮、真番。秦朝建立後，依然沒有放棄對這一區域的控制，將燕國遺留下來的行政機構劃給遼東郡，作為境外的附屬機構。到了西漢初年，則沒有將秦在朝鮮半島上的的舊地完全承襲下來，而只是以浿水為界（今朝鮮清川江）。後來燕國人衛滿率領數千人，越過浿水，進入到朝鮮半島北部，在秦朝防區的舊地定居下來，以在那裡流亡的燕、齊（今山東半島）移民為基礎建立了政權，歷史上稱為衛氏朝鮮。其疆域範圍大致有今遼寧東端、吉林西部及朝鮮半島的北部。
元朔元年（公元前128年），武帝派彭吳率軍越過朝鮮半島上的穢貉朝鮮，穢貉君主南閭等率領部下二十八萬人投降漢朝，武帝以其地而設立了蒼海郡，範圍大致在朝鮮東部臨海之地。三年之後，公孫弘上書武帝，認為蒼海郡地處偏遠，對漢朝沒有什麼大的利益可言。武帝於是採納了他的建議，撤銷了蒼海郡的建置。
元封二年（公元前109年），武帝又讓樓船將軍楊僕從齊地渡海，左將軍荀彘從遼東陸路出發，分兩路進攻衛氏朝鮮。第二年，朝鮮被迫投降漢朝。武帝在朝鮮半島上設置了樂浪、玄菟、真番、臨屯四郡，轄境到了今漢江流域（參見《武帝元封三年朝鮮四郡示意圖》）。
昭帝始元五年（公元前82年），由於朝鮮半島北部的人口數量有限，許多地方還未開發，一些地方還由當地民族控制，所以，漢朝撤銷了臨屯與真番二郡，將其轄區一部分放棄，一部分併入了在此二郡之北的樂浪郡。玄菟郡也在此時將其境內的東部地區放棄，被迫內遷，將郡治由朝鮮半島上的沃沮遷到了遼東半島上的高句麗（今遼寧新賓西）。
綜上所述，到武帝時