汉武帝是中国历史上第一位派大军深入匈奴腹地进行决战的皇帝。通过大量移民在西北边郡屯田，这对反击匈奴战争的胜利、经营西域起了重大作用。李广利伐大宛后，西域南道诸国多臣服于汉，宣帝神爵二年（前60年），匈奴日逐王降汉，匈奴不敢争西域，罢僮仆都尉。宣帝任命郑吉为西域督护，管理西域南、北道诸国，西域诸国臣服于汉。至此，西边直达里海，都成为了汉朝的疆域。

汉武帝是中国历史上第一位提出要北方游牧民族—匈奴臣服于中原王朝的皇帝，为此又在今内蒙筑受降城。从公元前133年至119年，汉武帝派兵和匈奴进行了多次作战。其中决定性的战役有三次：河南之战、河西之战和漠北之战。

元光二年（前133年），武帝采纳王恢的建议，派遣李广、公孙贺、王恢、李息、韩安国五将军，率30万汉军，埋伏在马邑附近。又派聂1出塞与匈奴交易、诱敌。匈奴军臣单于发现这是诱兵之计，便立即引兵撤退。汉朝30万大军无功而返。

元朔二年（前127年），匈奴贵族以两万骑入侵上谷（河北怀来县）、渔阳。汉武帝采取声东击西的策略，派青年将领卫青率3万骑出云中（内蒙托克托县），西至陇西（甘肃东部），收复河套地区，扫除匈奴进犯的军事据点。卫青采取迂回进攻的方法，从后路包抄，一举赶走匈奴的楼烦王和白羊王，解除了长安的威胁。于是，汉武帝在那里设朔方郡、五原郡，移民10万屯垦，又重新修了秦代的旧长城，派兵驻守。卫青升为长平侯。

元朔五年（前124年），卫青率骑兵赶走了匈奴的右贤王，生擒匈奴王子10余人，凯旋而归。汉武帝破格提升卫青为大将军，成为全军的统帅。第二年，在和匈奴的战斗中又涌现出一位18岁的将领霍去病。他是卫青的外甥。一次，他一马当先，率领800骑兵突进匈奴营地几百里，取得大胜。[汉武帝据此封他为冠军侯，给他造了一座阔气的房子，让他去看。霍去病说：“匈奴未灭，无以家为！”。

元狩二年（前121年）。汉武帝派霍去病出陇西，越过焉支山（甘肃山丹县东南胭脂山）西进，入匈奴境千余里，和匈奴军短兵肉搏，大获全胜。同年夏天，霍去病第二次西征，越居延泽（内蒙古居延海），攻到祁连山，大破匈奴军，河西的匈奴贵族损失惨重。同年，匈奴贵族内部分裂，浑邪王率四万人降汉。这次战役后，汉在这里置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，历史上称“河西四郡”。从此打开了汉通西域的道路。

元狩四年（前119年）的漠北战役规模最大。汉武帝派卫青、霍去病率10万骑兵，几十万步兵，分别从定襄郡（内蒙呼和浩特东南）和代郡（河北蔚县）出发，共击匈奴单于（匈奴首领）于漠北。卫青北进千余里渡过大沙漠（戈壁沙漠），直抵阗颜山（蒙古杭爱山脉），歼敌1.9万余人。霍去病深入1000多公里，追击匈奴左贤王兵到狼居胥山（蒙古肯特山），俘敌7.4万余人，饮马瀚海，到达今天的贝加尔湖（俄罗斯）。漠北之战给匈奴以致命打击，出现了“匈奴远遁，漠南无王庭”的局面。从此，匈奴北徙漠北并西迁。汉北自朔方，西至令居（甘肃永登），以60万吏卒屯田，加强防守。汉武帝取得抗击匈奴的战争的胜利，使国家更加统一，长城内外“马牛放纵，畜积布野”，为经济文化的发展创造了极为有利的条件。匈奴帝国开始走向衰落。