有學者評道：「中國之教得孔子而後立，中國之政得秦皇而後行，中國之境得漢武而後定」，可見武帝的武功在歷史上的重要地位，特別是他與匈奴交戰連場，互有勝負。

北伐匈奴

漢朝初立，強悍的匈奴已常在掠邊滋擾，漢初一直以甘詞厚幣的和親政策，緩和兩國衝突。武帝當太子時，便立志雪恥，即位第四年（十九歲）便派張騫出使西域，圖與大月氏結盟，夾擊匈奴。二十四歲，設計誘殲匈奴未成，漢遂斷了和親，積極備戰。此後十四年，漢匈對戰了七次，漢軍收復了河南地區，又接受匈奴渾邪王率四萬部眾歸降，拓疆至河西四郡。

衞青收復河南

河南，即今河套地區，距長安僅千餘里，為兵家必爭之地。武帝二十九歲時，起用匈奴最畏懼的李廣防禦東北，命衞青、李息西出雁門，反擊屢來犯關的匈奴，殲敵數千。翌年，匈奴又擾東北上谷漁陽，武帝詐使衞青、李息北上援救，實則沿黃河西進，切斷河南匈奴的退路，再沿河南下，突襲河南的匈奴樓煩、白羊王。兩王措手不及，慌忙逃命，折兵數千，失牛羊百餘萬。漢武帝終於收復了秦亡後沒入匈奴八十多年的河套地區，並置朔方郡徙十萬民戍守。

霍去病初戰沙場

收復了河南後，衞青先後三度再擊匈奴。首戰於武帝三十三歲時，衞青以精騎急行七百里作奇襲，活捉兵士萬五，奪牲畜數十萬；翌年二月，再率軍十餘萬出擊，匈奴畏而避戰；四月再伐，殺萬餘人。此役，十八歲的霍去病以八百騎兵，遠襲匈奴後方，殲敵二千餘，初露其軍事才華。兩年後春，剛滿二十歲的霍去病領精兵一萬從隴西出發，轉戰六天，越過焉支山，深入匈奴境內千餘里，與匈奴重兵接戰，斃折蘭、盧侯王，另殺獲近九千人，重創渾邪和休屠王。

渾邪王拱讓河西

同年夏，武帝再命霍去病與公孫敖率數萬騎兵，自北地出塞，使張騫、李廣領萬四精騎，東線牽制匈奴。霍去病在公孫敖迷路下，孤軍攻祈連山，與渾邪、休屠王激戰，斃俘三萬多人，虜單于閼氏（即妻子）、王母王子等。渾邪、休屠王恐單于怪罪嚴懲，相約向武帝投降。後休屠王反悔，渾邪王怒施突襲，殺休屠王，收其部眾，率四萬人降。武帝大悅，重賞渾邪王，散降部於沿邊隴西、北地、朔方、雲中、代五郡，建五屬國供其保留原有風俗而居。

匈奴絕跡漠南

匈奴失河西，中部伊稚斜單于和東部左賢王惱恨，翌年分兩路率數萬騎掠漢邊。武帝於是再籌決戰，經一年準備，調集十萬精騎，分由衞青和霍去病統領，東西兩路征匈奴。衞青從定襄出，越大漠，北進千餘里，大敗匈奴單于主力，殺捕匈奴一萬九千餘人，單于僅率數百人逃，漢軍追至趙信城，得匈奴大批屯糧而返。霍去病自代郡出，先誅北車耆王，敗單于左大將，北進二千餘里，與左賢王接戰，大勝，斃俘七萬四千人。匈奴元氣大傷，遠遁漠北，無力再犯漢邊。

再伐匈奴

經過十四年的休整，漢匈之間在武帝五十四歲那年重啟戰幕。首戰因為輕敵，趙破奴為接應匈奴叛將，以二萬騎深入匈奴腹地二千里，在歸程距漢邊四百里時，受匈奴八萬騎圍攻，全軍覆沒。三年後，李廣利率三萬兵出擊天山，初勝後敗還。再兩年，武帝聚二十萬眾分四師進擊，單于親率精騎十萬迎戰，反略佔上風。至武帝六十七歲，當李廣利出擊匈奴之際，傳來妻兒在長安被捕下獄的消息，軍心大亂，李廣利率七萬部屬投降。自此，匈奴氣焰再張，但漢已無力再戰。