武帝一生的业绩中，武功占有极大的比例。由他领导抗御匈奴的战争，竟持续了43年，大小战役达15次之多，关键性的最大战役有3次。
马邑之谋元光二年（前133），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。又派聂壹出塞与匈奴交易、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。
马邑之谋虽然失败，但武帝全面反击匈奴的决心已经不可动摇。汉武帝全面改革了军事体制，设大将军加“侍中”的统兵制度，取代太尉，提拔皇后卫子夫之弟、奴隶出身的卫青任大将军；改革兵役制度，调整军队各兵种的构成及训练方式。经过一番改革，汉军的素质和战斗力有了明显的提高，大规模反击匈奴的准备完成了。
收复“河南地”之战元朔二年（前127），匈奴两万骑兵侵入边境，由渔阳进入雁门，首都长安直接受到威胁。汉武帝采取声东击西的策略，对“河南地”（河套地区）的匈奴各部进行大规模迂回包围作战。匈奴诸部无备，大败，秦末以来长久沦陷于匈奴的河套地区被汉收复。
河套地区离长安千余里，匈奴骑兵南下不过二三日路程。汉初数十年间，常以匈奴为忧，河南地在匈奴控制下是重要原因。汉朝收复河套地区，利用河套这一有利的天然屏障，把朔方和五原建成抗击匈奴的基地，既解除了匈奴对长安的威胁，又可以减省军需粮饷的转输，为汉朝最后击败匈奴创造了有利条件。
河西争夺战元朔六年（前123），武帝又派卫青率10万骑兵出塞追歼匈奴。在这次战役中，18岁的年轻将领霍去病脱颖而出。霍去病是河东郡平阳（今山西临汾）人，出身于奴隶。由于他“善骑射”，受到了汉武帝的赏识，被提拔为侍中。在汉匈激烈交与霍去病有因缘的焉支山军马牧场战的时候，汉武帝任命他做剽姚校尉。校尉是地位较高的军官，仅次于将军；“剽姚”是形容行动勇健轻捷的样子。大将军卫青还挑选800名精锐骑兵归霍去病指挥。汉军出塞后，霍去病率800骑兵冲杀在前，离开汉军主力，一直奔袭数百里。这支骑兵小部队，找到匈奴部队后，以迅雷不及掩耳之势发起突然袭击，打得敌兵措手不及，溃不成军。汉军以少胜多，斩敌2000多人，杀死匈奴单于的叔祖父籍若侯产，生俘单于叔父罗姑比，大胜而归。汉武帝发布命令，称赞霍去病勇冠全军，封他为“冠军侯”。霍去病初上战场，就表现出了超群的军事才能。
元狩二年（前121）春，霍去病被任命为骠骑将军（位同大将军），率领骑兵万人，从陇西出塞，转战6天，越过焉支山（今甘肃山丹东南）千余里，杀敌8000余，俘虏浑邪王子等，缴获休屠王的祭天金人。汉军河西首战告捷。
同年夏天，霍去病又与公孙敖率数万骑出北地（今甘肃庆阳西北），深入2000多里，越过居延泽（今内蒙古额济纳旗北），攻至祁连山（今甘肃张掖县西北），击败匈奴军主力，俘获匈奴酋涂王和单于阏氏、王子等百余人，歼敌3万多人。这是西汉对匈奴开战以来所取得的一次空前大捷。这次战役后，汉朝控制了河西地区，截断了匈奴和羌人的联系，打开了内地通往西域的道路。
汉军占领河西之地后，汉武帝置武威（郡治在今甘肃勤县东北）、张掖（郡治在今甘肃张掖县西北）、酒泉（郡治在今甘肃酒泉）、敦煌（郡治在今甘肃敦煌西）四郡，称为河西四郡。河西走廊又是通往西域的交通孔道，扫清了匈奴之后，就为“通西域”，将西域诸国同内地紧密地联系在一起创造了重要条件。
漠北之战匈奴伊稚斜单于因屡遭重创，心有余悸，将单于廷暂时移于漠北，便于引诱汉军深入，然后乘其兵疲而袭击。司马迁像（清代版画）元狩四年（前119）春，武帝将计就计，乘匈奴疏于防范之时，决定攻其不备，发动了对匈奴的第三次大战役。汉武帝调集10万骑兵，随军战马14万匹，步兵及转运夫10万人，由卫青和霍去病统帅，分东西两路向漠北进发。这是规模最大的一次远征。
卫青指挥汉军以左右翼将匈奴单于包围。伊稚斜单于率数百骑突围逃走。汉军乘胜追击，杀敌近两万人。
在此次战役中，李广进军的东路，路途遥远，又没有向导，在沙漠中迷失了方向，错过了会合的时间。李广因误期而自杀。
根据汉武帝的作战计划，霍去病的东路是主力军，汉武帝给他配备的力量最强，汉军“敢力战深入之士”，都交给他指挥。霍去病深入漠北2000多里，与匈奴左贤王相遇，展开一场激战。左贤王的骑兵几乎全部被歼。霍去病乘机追击，至狼居胥山（今蒙古人民共和国肯特山），直到瀚海（今俄罗斯西佰利亚贝加尔湖），才奏凯而还。
经过这次漠北大战，匈奴人马伤亡很大，逐渐衰弱下去。“是后匈奴远遁，而漠南无王庭”。
霍去病在抗匈战争中建立了大功，多次得到汉武帝的奖赏。汉武帝前后赐封他食邑1?7万户，并加官大司马。霍去病24岁那年不幸得病死了。汉武帝十分悲痛，为他修建了一座仿照祁连山模样的宏伟坟墓，来纪念这位建立了赫赫战功的青年英雄。
经济上：调整政策
汉武帝建立了前所未有的功业，但也耗费了大量的人力、物力、财力。由于军政费用开支浩大，再加上汉武帝个人好大喜功和穷奢极欲的生活，造成了严重的财政危机。如何解决这一危机？汉武帝调整了经济政策，一方面坚持“以农为本”的既定国策；一方面又加强对国家经济的宏观调节和控制，发展国有工商矿业以繁荣经济。
代田轮耕，兴修水利汉武帝主要从以下几个方面对农业的繁荣发展做出了战略调整与准备。
大力推广先进的生产工具和生产耕作方式、技术。武帝时期，广泛使用铁农具，在农业生产中推广牛耕。另外，注重农业生产技术和工具的发明和改进，如试行代田法和发明播种工具。代田法是一种保护地力的先进的耕作方法，使垄沟和垄台的位置每年相互调换，以便恢复地力，有利于农作物生长；新的播种农具应用于生产，称作耧车或耧犁。用耧车播种不但速度快，而且下种均匀，对于农作物生长十分有利。
兴修水利，大力发展灌溉事业。水利是农业的命脉，对促进农业生产的发展，起着关键性的作用。汉武帝指挥修筑的水利工程有漕渠、六辅渠、白渠、成国渠、洛水渠、龙首渠等诸多工程。