到了汉武帝(公元前140—前87年在位)时代，经过近70年的恢复和发展，汉朝的经济实力已有很大的增强，粮食和物资的储备相当充足。特别是在景帝前元三年(公元前154年)平息了以吴王刘濞〔bi必〕为首的七个同姓诸侯国的叛乱以后，中央集权大大加强，基本消除了内部分裂的威胁。恢复秦朝的疆域，进一步向外开拓的条件已经成熟了。
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汉武帝建元三年(公元前138年)，闽越围攻东瓯，东瓯向朝廷求救。武帝立即派严助率会稽(今长江三角洲和浙江北部)的军队渡海前往救援，迫使闽越解围撤回。据说东瓯怕汉军撤退后闽越会卷土重来，要求内迁，于是大部分东瓯的越人被安置在长江和淮河之间地区。
三年后，闽越王郢进攻南越，武帝在接到南越报告后，命王恢和韩安国出兵。闽越王的弟弟馀善杀了郢，向汉军投降。由于汉军无法久驻，武帝还是保留了闽越国，立馀善为王。但馀善依然反复无常，因此到元鼎六年(公元前111年)汉朝灭南越后，武帝即派杨仆等乘胜进军。次年汉军攻占闽越，馀善被部下所杀，闽越人大部分被迁往江淮之间，当地几乎成了无人区，直到西汉后期，遗留下来的越人逐渐增加，才重新在今天的福州恢复了冶县，以今天浙江台州市椒江区一带设立了回浦县，隶属于会稽郡(治所在吴县，今江苏苏州市)。
武帝初年，匈奴仍然常常侵扰汉朝北部边疆。元光二年(公元前133年)，30万汉军埋伏在马邑(今山西朔州市)一带，企图引诱单于入侵，一举歼灭。但计谋被单于识破，未等汉军合围就撤走了。从此匈奴更加剧了侵扰，汉朝北部从今陕西北部至辽宁西部一线无不受到骚扰掳掠。元光六年(公元前129年)开始，汉军连续发动进攻，在元朔二年(公元前127年)驱逐了匈奴的白羊、楼烦王，收复了“河南地”。汉朝在这里设置了朔方郡(治所在今内蒙古杭锦旗北)和五原郡(治所在今包头市西北)，并修缮了蒙恬所筑的城塞，使边界又恢复到了阴山山脉一线。第二年，又暂时停止了在西南的经营，集中力量筑朔方城，进一步巩固边防。
元狩二年(公元前121年)，汉军主力从西路出击，俘获了匈奴浑邪王的儿子。不久，浑邪王杀了不肯投降的休屠王，率众降汉。这样，汉朝的疆域扩大到了整个河西走廊和湟水流域，即今青海湖以东、祁连山东北地区，先后设置了酒泉(治所在今甘肃酒泉市)、武威(治所在今甘肃武威市)、张掖(治所在今甘肃张掖市西北)、敦煌(治所在今甘肃敦煌市西)和金城(治所在今甘肃永靖县西北)五个郡。原来聚居在湟水流域的羌人被驱赶到更西的地区，他们与匈奴的联系被隔断了。由于汉朝控制了河西走廊，通向西域的大门已经打开。
早在建元三年(公元前138年)，武帝为了招引大月氏回敦煌、祁连山旧地，以便共同打击匈奴，曾经派张骞出使西域。由于往返时都被匈奴扣留，13年后张骞才回国复命。尽管没有达到联络大月氏的目的，但张骞亲历了大宛(在今中亚费尔干纳盆地)、康居(在今哈萨克斯坦巴尔喀什湖和咸海之间)、大月氏和大夏(在今阿富汗北部)等中亚国家，使汉朝了解了这一地区的具体情况。在元狩四年(公元前119年)汉军又一次大败匈奴以后，武帝派张骞再次出使乌孙。到乌孙后，张骞派副使出使大宛、康居、大夏、安息(今伊朗一带)、身毒(今印度)等国。到元鼎二年(公元前115年)张骞回国，汉朝与西域和中亚、西亚的交通从此开通。
但是汉朝与匈奴在西域的争夺并没有结束，汉武帝对西域发动了几次军事行动，最大的一次出动了十几万兵力、十几万头牲口和十几万民工，征服了大宛。由于交通线太长，补给困难，汉朝虽然控制了天山南路，但对天山以北还不能经常控制，那里的国家还受到匈奴的威胁，不敢完全服从汉朝。又经过多次战争，到宣帝神爵二年(公元前60年)，汉朝终于取得决定性胜利，完全控制了天山北路，设置了西域都护府。
西域都护府的辖境包括自玉门关、阳关以西的天山南北，直到今巴尔喀什湖、费尔干纳盆地和帕米尔高原以内的范围，初期有36国，以后增加到50国，治所设在乌垒城(今新疆轮台县东野云沟附近)。西域都护府既是汉朝的军事驻防区，也是一个特殊的行政区。一方面它与内地的正式政区不同，不设置郡、县，依然保留原来的国，汉朝一般不干预它们的内部事务，但掌握它们的兵力和人口等基本状况；另一方面，都护代表朝廷掌管这些国家的外交和军事权，可以调动它们的军队，决定它们的对外态度，必要时还可直接废立他们的君主，甚至取消某一个国。正因为如此，西域都护府也是汉朝疆域的一部分。
为了向西南开拓，大约在元光五年(公元前130年)，武帝就征发巴、蜀二郡(约相当今四川东、中部)的士兵从僰道(今四川宜宾市西南安边场)向牂〔zang赃〕柯江(今北盘江和红水河)筑路，并新设了一个犍为郡，治所就设在僰道。在这种情况下，“西夷”的邛(今四川西昌市一带)、笮(今四川盐源县一带)的君长请求归属，汉朝在那一带新设了十几个县。但由于筑路工程非常艰巨，加上汉朝正忙于对付匈奴，一度曾取消了部分新设的县。到元狩元年(公元前122年)，汉朝恢复了对“西南夷”的开拓。经过几年的经营，川西高原和云贵高原上的部族如邛都、笮都、冉駹、白马、且兰、夜郎等都已纳入汉朝的统治，在这些部族的地区新置了越巂〔xi希〕(治所在今四川西昌市东)、沈黎(治所在今四川汉源县东北)、汶山(治所在今四川茂汶县北)、武都(治所在今甘肃武都县东北)和牂柯(治所在今贵州黄平县西南)五郡。两年以后的元封二年(公元前109年)，又在滇和昆明这两个部族的地区建立了益州郡(治所在今云南晋宁县东)，汉朝的西南边界扩展到今高黎贡山和哀牢山一线。
对岭南的统一已是大势所趋。元鼎四年(公元前113年)，武帝召南越王来长安朝见。第二年，反对并入汉朝的南越丞相吕嘉杀了国王和汉使，发动叛乱。汉军分五路进攻，未等其他三路会师，主攻的两路已在元鼎六年进占南越的都城番[pan 潘]禺(今广州市)，俘获吕嘉。汉朝在南越属地设置了九个郡，其中的交趾、九真和日南三郡都在今天越南的中、北部，珠崖和儋耳二郡在今海南岛上。
两汉初年，中原人卫满率领数千人进入朝鲜半岛，建立了自己的政权。这时朝鲜的疆域大致包括今辽宁东部、吉林西南和朝鲜半岛的西北部。元封二年(公元前109年)武帝用兵朝鲜，次年朝鲜投降，汉朝设置了玄菟[tu 兔]、乐浪、临屯、真番四郡，辖境南至今汉江流域。
西汉的疆域在武帝后期达到极盛。但由于扩展太快，建置过多，兵力和财力不能适应，加上有些地方官的苛政引起当地民族的反抗，所以以后局部地区不得不有所收缩。武帝末年撤销了沈黎郡，宣帝地节三年(公元前67年)又撤销了汶山郡。这两郡的辖境大多并入了相邻的蜀郡，所以疆域并没有怎么减少，但对当地部族的统治相对放松了。昭帝始元五年(公元前82年)撤销了朝鲜半岛的临屯和真番二郡，它们的辖境放弃了一部分，另一部分并入了乐浪郡。到了元凤五年(公元前76年)，又将玄菟郡的东部放弃，治所也从朝鲜半岛上迁到了今辽宁新宾县以西。同年还将海南岛上的儋耳郡并入了珠崖郡，但当地民族的反抗依然相当激烈，汉朝屡次镇压都不能奏效，因此在元帝初元三年(公元前46年)又不得不撤销珠崖郡，将行政机构全部内迁。虽然大陆政权在海南岛上的行政机构要到隋朝才恢复，但岛上与大陆民间的来往并没有停止。大陆人民还不断地迁往岛上，使人口逐渐增加，耕地逐渐扩大，汉族与当地民族的关系日益加深。
除了这些局部的收缩以外，西汉的疆域基本上是稳定的，一直保持到了西汉末年。平帝元始四年(公元4年)曾将青海湖东岸羌人聚居区置为西海郡，但存在时间很短。
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