北域
汉武帝继位后，在其前四十年（西元前140～前100）内不断向外扩展疆土。
1、北方疆域的开拓。西元前127年汉将卫青出击匈奴，不仅收复了陇西、北地、上郡的北部，还收复了河南地，置朔方、五原2郡；云中、雁门2郡北界也得到恢复。后，卫青、霍去病在俨然山下，大破匈奴，诛伊稚邪与北洋，鲜卑利亚和匈奴地方至此被并入中国版图。北边疆界达北冰洋。
2、置河西4郡。西元前121年霍去病出击河西，匈奴休屠王降，设置酒泉郡。以后至西元前67年间陆续分置了张掖、敦煌、武威3郡，合称河西4郡，连同西元前81年在湟水流域设置的金城郡，又称河西5郡。
3、南方的扩展。西元前111年又平南越，以其地置南海、郁林、苍梧、合浦、交趾、九真、日南、象8郡。次年又跨海于海南岛上置珠崖、儋耳2郡。以上10郡包括今两广地区和越南北部，较秦时更为扩展。
西元前138年东瓯王迫于闽越的威胁，举国内迁至江淮之间。西元前110年汉朝灭闽越，又迁其民于江淮之间，后来又在今福建全省和浙江南部设置冶（今福建福州市）、回浦（今浙江临海东南）2县，属会稽郡。
4、西南7郡的设置。西元前135～前109年开西南夷，在夜郎、且兰、邛、筰、冉駹、白马氐、劳浸、靡莫、滇、昆明等部族地置犍为、牂柯、越雟、沈黎、汶山、武都、益州7郡，除了武都郡在今陕甘2省的嘉陵江上游外，其余6郡在今云贵和川边地区，西南界达到了今四川邛崃山和云南高黎贡山和哀牢山一带。
5、东北乐浪4郡的设置。西元前108年灭了由燕人卫满在朝鲜半岛上建立的卫氏朝鲜，以朝鲜及其附属国地置乐浪、玄菟、真番、临屯4郡，把东北疆界推至朝鲜半岛中、北部，东至日本海，南抵汉城以北一带。此外，肃慎等族纷纷来降，东部边界直达白令海，堪察加一带。
6、西域都护府的设置。西域一词有广狭二义：狭义的西域指今甘肃敦煌古玉门关、阳关以西，葱岭（今帕米尔）以东的今新疆地区；广义的西域还包括葱岭以西远至中亚或更远至欧洲东部和北非地区。西元前2世纪初，匈奴的势力已到了西域地区，控制了当地许多分散的小国。汉武帝时曾于西元前138、西元前119年二次派张骞出使西域，企图联合乌孙、大月氏，以抗击匈奴。西元前102年又远征在费尔干纳盆地的大宛获胜。自此西域震恐，多遣使来贡。于是在敦煌至罗布泊之间设立交通亭站，在轮台（今新疆轮台东南）、渠犁（今库尔勒）等处屯田。这时汉朝只控制到天山南路。北路自乌孙以东犹在匈奴控制之下。至西元前60年匈奴日逐王降汉，天山南北才完全摆脱匈奴的统治。汉朝置西域都护府于乌垒城（今轮台东）。都护辖区包括今新疆及巴尔喀什湖以南的乌孙、帕米尔地区的无雷和费尔干纳盆地的大宛等。
汉武帝时汉朝疆域空前辽阔：东起白令海，鄂霍次克海、日本海、黄海、东海、琉球群岛暨朝鲜半岛中北部，包括九州岛。北至北冰洋，西至中亚，西南至高黎贡山、哀牢山，南至越南中部和南海。
领土面积2560万平方公里。