狭义的西域是指玉门关（今甘肃敦煌西北）、阳关（今甘肃敦煌西南）以西，葱岭以东，昆仑山以北，巴尔喀什湖以东、以南地区，包括我国新疆地区及哈萨克斯坦中东部地区一带。
当时通往西域有两条道路：一条是南道，出玉门关、阳关经鄯善，沿昆仑山北麓，西行至莎车，再过葱岭，即可到达大月氏、安息（今伊朗）；一条是北道，出玉门关、阳关经车师前国，西行至疏勤，再过葱岭，即可到达大宛、康居、奄葵（今土库曼）。由于匈奴控制了西域诸国，这两条道路被阻断了。
张骞通西域图（敦煌壁画）张骞通西域建元二年（前139），汉武帝从投降过来的匈奴人口中知道匈奴人打败了大月氏，大月氏已从水草丰美的祁连山下西迁了。据说，匈奴单于还把大月氏王的头颅砍下来制成酒器。大月氏十分痛恨匈奴。汉武帝对这个消息极为重视，便想联络大月氏，与其结成同盟，共同对付匈奴。但是大月氏离开敦煌原地后，究竟迁往何处，当时并不清楚。而河西一带又控制在匈奴人手里，西行寻找大月氏必须经过那里。所以，联络大月氏的任务，既艰巨又十分危险，没有人敢承担，武帝只好悬赏招募自愿承担这一任务的使者。
建元三年（前138），汉中城固（今陕西汉中）人张骞以郎官身份勇敢应募。武帝很欣赏张骞的胆识，当即给他选派100多名随行人员，还派了一名叫甘父（即堂邑氏之奴，故又名堂邑父）的匈奴人作向导。张骞第一次出使，被匈奴俘获，羁押八年后，他与甘父逃出，到达大月氏，没有达到结盟的目的，但却获得了大量有关西域各国的人文地理知识。
张骞历经艰辛回汉后，将西域一些国家的地理、风俗、物产、政治、军事等情况，报告给汉武帝，使汉朝政府对于西域有了比较清楚的了解，不仅为以后沟通西域做了初步准备，而且大大激发了汉武帝“拓边”的雄心，发动了一系列抗击匈奴的战争。
元狩四年（前119），张骞奉命第二次出使西域。张骞到达乌孙后，一方面派遣副使到大宛（今乌兹别克安集延一带）、康居（今撒马尔罕）、大月氏、安息（今伊朗）、身毒诸国，以加强汉朝和中亚地区的联系，发展贸易往来；一方面说服乌孙昆莫，争取乌孙东迁故地，乌孙虽不肯东迁，但在元封元年（前110）以后终究与汉朝结亲通好。
张骞归汉两年后，其副使才陆续归来。这些距汉廷十分遥远的国家，通过汉使知道汉王朝的情况，有的国家就派使节同汉使一起来到长安。武帝出巡时，让各国的使者也跟随前去。这样，他们更进一步了解了中国的情况，回国后宣传所见所闻。从此以后，西域的许多国家便和中国建立起友好的关系，“通西域”便在这时正式开始了。武帝又继续派出许多使者到西域各国，每年多则十几次，少则五六次。每次多达百余人以至数百人。比较远的如安息、奄蔡、条支（即大食，今伊拉克）诸国，都有中国使者的足迹。
汉朝对西域的战争张骞死后，丝绸之路上也时有险阻，尤其是来自匈奴的破坏。姑师和楼兰两国，正当汉通西域的要道。元封三年（前108），武帝派赵破奴和王恢统兵数万，征伐两国，楼兰王被擒，楼兰成为汉朝的藩属；姑师也兵败国破，于征和四年（前89）完全被汉朝征服。从此，通西域的道路畅通无阻。
为了驱逐匈奴在西域的势力，夺取大宛及其附近的物产，尤其是大宛产的汗血马（这种马速度奇快，奔跑时肩胛处流出红色的汗珠，故名汗血马），当时的方士对武帝灌输求神成仙的思想，说大宛马是“天马”、“神马”。加上武帝也有改良马种的用意，所以汉武帝要不惜一切代价，攻克大宛。
太初元年（前104），武帝派贰师将军李广利率兵进攻大宛，大宛坚决抵抗，经过四年的苦战，汉朝前后发兵十余万，于太初四年（前101）围困了大宛都城，最后，大宛贵族杀死国王投降，献良马数十匹，中等以下的马3000匹，汉军才罢兵回师。
汉军相继击破楼兰、姑师和大宛，引起西域极大的震动。尤其征服大宛后，汉朝影响愈益扩大，葱岭以东的西域诸国，相继派人来汉朝朝贡，或以子弟为质子留居汉朝。汉武帝还先后以宗室女细君和解忧嫁给乌孙昆莫，建立了友好的和亲关系。为了使者往还方便，汉廷在敦煌至盐泽（今罗布泊）之间，沿途设置驿站，修筑烽燧亭障，还在轮台（今新疆轮台东）、渠犁（今新疆库尔勒一带）等地屯田，屯田士卒最多达60余万人。汉朝又在那里置使者校尉，以处置汉在西域诸事。
汉武帝时期“通西域”开辟丝绸之路是历史上的重大事件。张骞通西域后，中原先进的生产技术，包括冶铁、凿井术等，相继在西域得到推广；精美的手工业品，如丝绸和漆器，也传入西域各地。西域的许多物产，如蚕豆、黄瓜、大蒜、胡萝卜、葡萄等植物及骆驼、驴、汗血马等动物，也在此时或以后输入中原。尤其中原人民与西域各族人民联系的不断加强，对统一的多民族的西汉王朝的形成与发展，更具有重要的历史意义。
边事上：大力开发
汉武帝时期，汉王朝向南方、东南、西南和东北地区开边拓疆，大力开发，成果极其巨大。
经略三越我国南方及东南沿海的越人居住区，在秦朝时已被统一并设立了郡县。秦末农民起义爆发时，当地官吏和贵族分别建立了政权。汉初以来，共有三个政权，即东瓯（治所在今浙江温州）、闽越（治所在今福建闽侯县）和南越，合称“三越”。南越由赵佗所建，此前已述，而东瓯和闽越在秦末称东越，占有今浙江和福建地区。
建元六年（前135），闽越王郢出兵进攻南越，南越王向汉廷求救。汉武帝派王恢和韩安国率兵分两路伐闽越。闽越王郢的弟弟余善慑于汉军的强大，与宗族合谋共杀闽越王，投降汉军。武帝就立前闽越王无诸的孙子丑为越繇王，又封余善为东越王，共同统治其地，而实际权力却掌握在余善手里。
元鼎六年（前111）秋，余善又发兵抗拒汉朝，同时，他又刻“武帝”印玺，自立称帝。因此，汉武帝于元封元年（前110）冬，派兵攻入东越。越繇王居股杀余善，以其众投降汉军。武帝遂废除闽越政权，并将当地居民迁徙于江、淮之间。
南越在赵佗第四代孙婴齐为王的时候，有明显的亲汉举措，引起了以丞相吕嘉为代表的割据势力的不满。婴齐死后，子赵兴继立，南越统治集团内部矛盾表面化。元鼎四年（前113），吕嘉发动叛乱，杀死亲汉的王太后摎氏和赵兴，又杀汉朝的使臣，立建德为王。元鼎五年（前112）秋，汉武帝派伏波将军路博德、楼船将军杨仆等率兵10万，水陆并进。汉军经过一年多的征战，攻破南越都城番禺（今广东广州）。吕嘉和建德及其部属数百人逃入海中，后仍被捕获。南越政权至此完全消灭，汉廷将其地分置为九郡。