在对外政策及措施方面，汉武帝雄才大略，他开疆拓土，威震四方，巩固和发展了多民族统一帝国。汉初实行“无为”政治，在一定程度上加强了汉族与少数民族之间的经济文化上的联系，为以后发展统一的多民族封建国家创造了有利条件，但这种政治也助长了西北边疆和蒙古高原匈奴贵族的贪婪性和掠夺性，给西汉边疆的吏民带来了很大的灾难，也给西汉的政权造成了很大威胁。从汉高祖在白登受包围以后，汉朝对匈奴一直采取“和亲”政策。这种“和亲”，实际上是一种妥协，不但要把汉朝皇室的女儿嫁给匈奴单于，每年还得送给匈奴许多财物。但是，即使这样做，匈奴贵族还是经常侵犯中原，杀害百姓，掠夺粮食和牛羊，使北方地区不得安宁。汉武帝刘彻当然不能视之为平常，一心要想改变这种屈辱的地位。
公元前135年，汉武帝采纳将军王恢的建议，派王恢、韩安国、公孙贺、李广等将军带领三十万人马，在马邑袭击匈奴。又派人去引诱匈奴进攻马邑。匈奴单于亲自带领十万骑兵来犯，到了离马邑大约一百多里地的武州地方，匈奴单于打下一座亭堡，抓住守在那里的亭尉，威胁他说：“你把情况老实告诉我！要是说半句谎话，我马上把你的头砍了。”那亭尉吓得要命，就把汉兵布置的埋伏全都告诉了单于。单于一听，大吃一惊，赶快命令全军撤退。出了武州地界，他才喘口气说：“幸亏我抓到亭尉，真是好险哪。”埋伏在马邑的汉军只好空手而归。
汉武帝的谤击战没有成功。但是，打那以后，汉朝和匈奴的和亲关系破裂，接连发生了大规模的战争。
匈汉战争中，汉武帝手下接连出现几位著名的将军：李广、卫青和霍去病。李广号称“飞将军”，在对匈奴的作战中，李广留下了一个流传千年的故事。
有一次，李广回来晚了，天色朦胧，他和随从一面走，一面提防着老虎，忽然瞧见前面山脚下草丛里蹲着一只斑斓猛虎。他连忙拿起弓箭，使尽全力射了过去。凭他百发百中的箭法，自然射中了。
手下的兵士见他射中老虎，拿着刀枪跑上去捉虎。他们走近一瞧，全愣了，原来中箭的不是老虎，竟是一块大石头，而且这支箭陷得很深，几个人想去拔也拔不出来。大伙儿真是又惊奇，又佩服。
李广过去一看，自己也纳闷起来，石头怎么能射得进去呢？他回到原来的地方，对准那块石头又射了几箭，箭碰到石头，只迸出火星儿，却再也射不进去了。
卫青和霍去病更是在征伐匈奴的战争中，为汉武帝立下了汗马功劳。
公元前124年，卫青率领骑兵三万，一路追击匈奴，一直追到长城外。匈奴以为汉军离他们还很远，一点儿也没防备。卫青在夜色的掩护下，急行六七百里，包围了匈奴。汉兵从四面八方冲进匈奴营地，打得匈奴部队四面逃窜，乱成一团。这一仗，卫青的人马一共俘获了一万五千多个俘虏，其中匈奴的小王十多人。
第二年，汉武帝又派卫青和霍去病攻打匈奴。匈奴听到汉朝大批人马来攻，立即逃走。霍去病当时只是个校尉，立功心切，带了八百人追击，不久就发现了匈奴的营地。初生牛犊不怕虎，霍去病带领这八百壮士冲进匈奴大营，将几千匈奴兵冲得个稀巴烂，顺便还杀掉了匈奴一个大王，俘虏了单于的叔叔和匈奴相国，战斗结束，霍去病被封为冠军侯。之后，汉武帝麾下这几员大将把匈奴打得撤退到大沙漠以北，出现“匈奴远遁，而漠南无王庭”的局面，使中国北部地区得到开发。
打通了西域后，汉武帝派张骞、苏武等人出使西域，结果留下了苏武牧羊的佳话，张骞还打通了中原通往欧洲的“丝绸之路”，使中华民族与其他民族之间的经济文化交往日益频繁。说起来，这功劳还是得归功于汉武帝的开拓疆土。