汉武帝是中国历代皇帝中第一个使用年号的皇帝。他登基后继续他父亲的政策，削弱诸侯的势力，颁布大臣主父偃提出的推恩令，让诸侯封他们的儿子为侯，使诸侯的封地被分裂。同时他引入了刺史的官级，用来对地方加强控制。在军队和经济上他也加强中央集权，将冶铁，煮盐，酿酒等事物编成由中央管理，同时他禁止诸侯国铸钱，使得财政集中于他的手中。他采用董仲舒的建议，“废黜百家，独尊儒术”，为儒学在中国古代的特殊地位铺平了道路。但是一般认为他利用儒学统一思想，同时采用法术、刑名以加强统治，即是所谓的“表儒法里”。当时积极启用的汲黯和对司马迁用宫刑即是其中著名的例子。
汉武帝即位初，一方面政治形势比较稳定，国家经济状况也比较好，另一方面诸侯王国的分裂因素依然存在。所以，他在继续推行汉景帝时各项政策的同时，采取了一系列强化专制主义中央集权的措施。在政治方面，首先颁行“推恩令”，使诸侯王多分封子弟为侯，使王国封地被分割，以进一步削弱诸侯王国势力；其次建立中朝削弱相权，巩固了皇帝的神圣地位；再设置十三部刺史，加强了对地方的控制。
对外他采取软硬兼施的手段，对匈奴他一方面派卫青、霍去病征伐，解除匈奴威胁，保障了北方经济文化的发展。他消灭了夜郎、南越政权，在西南先后建立了七个郡，并使今天的两广地区自秦朝后重归中国版图。同时他派张骞出使西域，打通了丝绸之路，加强了对西域的统治，并发展了中西经济文化的交流。在东方，他派兵灭卫氏朝鲜（朝鲜北部），置为乐浪、玄菟、临屯、真番四郡。
汉武帝非常注重人才的开发，他确立了察举制度，是中国有系统选拔人才制度之广泛，对后世影响很大。
汉武帝晚期由于连年对匈奴和西域用兵，并由于举行封禅，祀神求仙，挥霍无度，加以徭役加重，捐税增高，致使农民大量破产流亡。天汉二年（前99年），齐、楚、燕、赵和南阳等地均爆发了农民起义。汉武帝曾在轮台颁下《轮台罪己诏》“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”以表示承认自己的错误。
公元前88年，汉武帝叫画公画了一张“周公背成王朝诸侯图”送给霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。子幼母壮，为了防止太子的年轻母亲钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝狠下心借口处死了她。 公元前87年， 汉武帝驾崩，葬于茂陵，庙号是世宗。