到了漢武帝(公元前140—前87年在位)時代，經過近70年的恢複和發展，漢朝的經濟實力已有很大的增強，糧食和物資的儲備相當充足。特別是在景帝前元三年(公元前154年)平息了以吳王劉濞〔bi必〕為首的七個同姓諸侯國的叛亂以後，中央集權大大加強，基本消除了內部分裂的威脅。恢複秦朝的疆域，進一步向外開拓的條件已經成熟了。
漢武帝建元三年(公元前138年)，閩越圍攻東甌，東甌向朝廷求救。武帝立即派嚴助率會稽(今長江三角洲和浙江北部)的軍隊渡海前往救援，迫使閩越解圍撤回。據說東甌怕漢軍撤退後閩越會捲土重來，要求內遷，於是大部分東甌的越人被安置在長江和淮河之間地區。
三年後，閩越王郢進攻南越，武帝在接到南越報告後，命王恢和韓安國出兵。閩越王的弟弟餘善殺了郢，向漢軍投降。由於漢軍無法久駐，武帝還是保留了閩越國，立餘善為王。但餘善依然反覆無常，因此到元鼎六年(公元前111年)漢朝滅南越後，武帝即派楊仆等乘勝進軍。次年漢軍攻佔閩越，餘善被部下所殺，閩越人大部分被遷往江淮之間，當地幾乎成了無人區，直到西漢後期，遺留下來的越人逐漸增加，才重新在今天的福州恢複了冶縣，以今天浙江台州市椒江區一帶設立了回浦縣，隸屬於會稽郡(治所在吳縣，今江蘇蘇州市)。
武帝初年，匈奴仍然常常侵擾漢朝北部邊疆。元光二年(公元前133年)，30萬漢軍埋伏在馬邑(今山西朔州市)一帶，企圖引誘單于入侵，一舉殲滅。但計謀被單于識破，未等漢軍合圍就撤走了。從此匈奴更加劇了侵擾，漢朝北部從今陝西北部至遼寧西部一線無不受到騷擾擄掠。元光六年(公元前129年)開始，漢軍連續發動進攻，在元朔二年(公元前127年)驅逐了匈奴的白羊、樓煩王，收復了「河南地」。漢朝在這裡設置了朔方郡(治所在今內蒙古杭錦旗北)和五原郡(治所在今包頭市西北)，並修繕了蒙恬所築的城塞，使邊界又恢複到了陰山山脈一線。第二年，又暫時停止了在西南的經營，集中力量築朔方城，進一步鞏固邊防。
元狩二年(公元前121年)，漢軍主力從西路出擊，俘獲了匈奴渾邪王的兒子。不久，渾邪王殺了不肯投降的休屠王，率眾降漢。這樣，漢朝的疆域擴大到了整個河西走廊和湟水流域，即今青海湖以東、祁連山東北地區，先後設置了酒泉(治所在今甘肅酒泉市)、武威(治所在今甘肅武威市)、張掖(治所在今甘肅張掖市西北)、敦煌(治所在今甘肅敦煌市西)和金城(治所在今甘肅永靖縣西北)五個郡。原來聚居在湟水流域的羌人被驅趕到更西的地區，他們與匈奴的聯繫被隔斷了。由於漢朝控制了河西走廊，通向西域的大門已經打開。
早在建元三年(公元前138年)，武帝為了招引大月氏回敦煌、祁連山舊地，以便共同打擊匈奴，曾經派張騫出使西域。由於往返時都被匈奴扣留，13年後張騫才回國復命。儘管沒有達到聯絡大月氏的目的，但張騫親歷了大宛(在今中亞費爾干納盆地)、康居(在今哈薩克巴爾喀什湖和鹹海之間)、大月氏和大夏(在今阿富汗北部)等中亞國家，使漢朝了解了這一地區的具體情況。在元狩四年(公元前119年)漢軍又一次大敗匈奴以後，武帝派張騫再次出使烏孫。到烏孫後，張騫派副使出使大宛、康居、大夏、安息(今伊朗一帶)、身毒(今印度)等國。到元鼎二年(公元前115年)張騫回國，漢朝與西域和中亞、西亞的交通從此開通。
但是漢朝與匈奴在西域的爭奪並沒有結束，漢武帝對西域發動了幾次軍事行動，最大的一次出動了十幾萬兵力、十幾萬頭牲口和十幾萬民工，征服了大宛。由於交通線太長，補給困難，漢朝雖然控制了天山南路，但對天山以北還不能經常控制，那裡的國家還受到匈奴的威脅，不敢完全服從漢朝。又經過多次戰爭，到宣帝神爵二年(公元前60年)，漢朝終於取得決定性勝利，完全控制了天山北路，設置了西域都護府。
西域都護府的轄境包括自玉門關、陽關以西的天山南北，直到今巴爾喀什湖、費爾干納盆地和帕米爾高原以內的範圍，初期有36國，以後增加到50國，治所設在烏壘城(今新疆輪台縣東野雲溝附近)。西域都護府既是漢朝的軍事駐防區，也是一個特殊的行政區。一方面它與內地的正式政區不同，不設置郡、縣，依然保留原來的國，漢朝一般不干預它們的內部事務，但掌握它們的兵力和人口等基本狀況；另一方面，都護代表朝廷掌管這些國家的外交和軍事權，可以調動它們的軍隊，決定它們的對外態度，必要時還可直接廢立他們的君主，甚至取消某一個國。正因為如此，西域都護府也是漢朝疆域的一部分。
為了向西南開拓，大約在元光五年(公元前130年)，武帝就徵發巴、蜀二郡(約相當今四川東、中部)的士兵從僰道(今四川宜賓市西南安邊場)向牂〔zang贓〕柯江(今北盤江和紅水河)築路，並新設了一個犍為郡，治所就設在僰道。在這種情況下，「西夷」的邛(今四川西昌市一帶)、笮(今四川鹽源縣一帶)的君長請求歸屬，漢朝在那一帶新設了十幾個縣。但由於築路工程非常艱巨，加上漢朝正忙於對付匈奴，一度曾取消了部分新設的縣。到元狩元年(公元前122年)，漢朝恢複了對「西南夷」的開拓。經過幾年的經營，川西高原和雲貴高原上的部族如邛都、笮都、冉駹、白馬、且蘭、夜郎等都已納入漢朝的統治，在這些部族的地區新置了越巂〔xi希〕(治所在今四川西昌市東)、沈黎(治所在今四川漢源縣東北)、汶山(治所在今四川茂汶縣北)、武都(治所在今甘肅武都縣東北)和牂柯(治所在今貴州黃平縣西南)五郡。兩年以後的元封二年(公元前109年)，又在滇和昆明這兩個部族的地區建立了益州郡(治所在今雲南晉寧縣東)，漢朝的西南邊界擴展到今高黎貢山和哀牢山一線。
對嶺南的統一已是大勢所趨。元鼎四年(公元前113年)，武帝召南越王來長安朝見。第二年，反對併入漢朝的南越丞相呂嘉殺了國王和漢使，發動叛亂。漢軍分五路進攻，未等其他三路會師，主攻的兩路已在元鼎六年進佔南越的都城番〔pan 潘〕禺(今廣州市)，俘獲呂嘉。漢朝在南越屬地設置了九個郡，其中的交趾、九真和日南三郡都在今天越南的中、北部，珠崖和儋耳二郡在今海南島上。
兩漢初年，中原人衛滿率領數千人進入朝鮮半島，建立了自己的政權。這時朝鮮的疆域大致包括今遼寧東部、吉林西南和朝鮮半島的西北部。元封二年(公元前109年)武帝用兵朝鮮，次年朝鮮投降，漢朝設置了玄菟〔tu 兔〕、樂浪、臨屯、真番四郡，轄境南至今漢江流域。
西漢的疆域在武帝後期達到極盛。但由於擴展太快，建置過多，兵力和財力不能適應，加上有些地方官的苛政引起當地民族的反抗，所以以後局部地區不得不有所收縮。武帝末年撤銷了沈黎郡，宣帝地節三年(公元前67年)又撤銷了汶山郡。這兩郡的轄境大多併入了相鄰的蜀郡，所以疆域並沒有怎麼減少，但對當地部族的統治相對放鬆了。昭帝始元五年(公元前82年)撤銷了朝鮮半島的臨屯和真番二郡，它們的轄境放棄了一部分，另一部分併入了樂浪郡。到了元鳳五年(公元前76年)，又將玄菟郡的東部放棄，治所也從朝鮮半島上遷到了今遼寧新賓縣以西。同年還將海南島上的儋耳郡併入了珠崖郡，但當地民族的反抗依然相當激烈，漢朝屢次鎮壓都不能奏效，因此在元帝初元三年(公元前46年)又不得不撤銷珠崖郡，將行政機構全部內遷。雖然大陸政權在海南島上的行政機構要到隋朝才恢複，但島上與大陸民間的來往並沒有停止。大陸人民還不斷地遷往島上，使人口逐漸增加，耕地逐漸擴大，漢族與當地民族的關係日益加深。
除了這些局部的收縮以外，西漢的疆域基本上是穩定的，一直保持到了西漢末年。平帝元始四年(公元4年)曾將青海湖東岸羌人聚居區置為西海郡，但存在時間很短。