漢武帝即位不久，便下詔書，要求丞相、御史、列侯等各級官僚，推舉賢良方正、敢於直言進諫的讀書人到朝廷做官。同時，還鼓勵天下吏民直接給皇帝上書，提意見，發表自己的見解。漢武帝求賢若渴，對於所上奏章，大都認真閱讀，並從中選拔出不少有才幹之人，如董仲舒、主父偃、嚴安、朱買臣等著名的思想家、政治家，便是其中的佼佼者。
元光元年(前134年)，漢武帝再次下詔，命舉賢良文學上書對策，董仲舒在所上《天人三策》裡提出統一思想的主張，要求將那些不符合儒家六經宗旨和孔子之術的思想學說，一律禁止，不允許其存在。這迎合了漢武帝欲加強中央集權的思想，得到了武帝的讚賞。不久，武帝便任命他為江都相，同時下令全國罷黜百家，獨尊儒術。在此之前，武帝還在長安設立太學，置《詩》、《書》、《易》、《禮》、《春秋》五經博士，培養儒學後備力量。漢武帝將儒家思想定為一尊，對於此後的中國社會產生了極其深遠的影響。
為瞭解決漢初以來形成的諸侯割據問題，加強中央集權，漢武帝於元朔二年(前127年)採納主父偃的建議，頒布「推恩令」，規定諸侯王的封國除由嫡長子繼承外，其他子弟也可在封國內分得一塊封地，由皇帝授予封號。這樣一來，諸侯王國就被逐漸肢解，王侯的勢力進一步衰微，他們再也不可能對中央構成威脅，中央集權得到加強。漢武帝又「作左官之律，設附益之法」。左官律規定凡在諸侯國任官者，其地位低於中央政府任命的同級官僚，這就限制了諸侯獲得優秀人才的可能。附益法則嚴格限制諸侯國的官吏為諸侯非法謀利，結黨營私。元鼎五年(前112年)，參加祭掃的諸侯王在所獻助祭的酎金中偷工減料，以少充多，以次充好，漢武帝令人測定酎金的成色和份量之後，以大不孝為名，削奪106人的爵位和封地。漢武帝通過這些措施，基本上結束了漢初以來諸侯割據的局面。
為了防止州郡勢力過於龐大，漢武帝於元封五年(前106年)將全國分為豫、冀、徐、青、荊、揚、益、涼、並、幽、兗、朔方、交趾13個州，每州設部刺史1人，部刺史僅是個中級官吏，職位不高，可官小而權重，他們可以在皇帝規定的六條問事範圍內，督察十三州的大官，甚至諸侯王。漢武帝正是通過他們來打擊地方官僚和豪強地主，從而加強對地方的控制。
漢武帝限制丞相的權力，他自己親自處理各項政務，令九卿不通過丞相直接向他奏事。與此同時，他還提拔了一批中下層官員擔任自己的侍從和秘書，通過他們來發號施令。這樣，在朝官中就形成了以尚書、中書、侍中等組成的「中朝」官和以丞相為首的「外朝」官，而「中朝」的地位更加重要，遂成為實際的決策機關。
漢武帝擴大選官範圍，建立察舉徵召制度。所謂察舉就是由食祿二千石者推薦，通過考試後，即可授予官職。不久，漢武帝又規定依據人口的數量，按一定的比例進行選舉，不需資產的限制。所謂徵召就是由皇帝直接召見那些有一定能力而又不肯出仕的隱士，由皇帝直接授予官職。同時，天下吏民若有上書言事而又言之成理者，亦授予官職。另外，博士弟子中考試成績優異者，亦可入仕。通過這些措施，漢武帝選拔出一批才華出眾之士，充實了官僚機構。
漢武帝在財政經濟方面也採取了一些新的措施，加強中央對全國經濟的控制，以解決日益嚴重的財政困難。
改革幣制，將鑄幣權收歸中央。漢初，聽任郡國自由鑄錢，社會上流通的貨幣極其混亂，引起物價上漲，阻礙了商品的正常交換。同時，由於一些貴族官僚和富商大賈操縱鑄幣權，富埒天子，這也威脅到中央。元鼎四年(前113年)漢武帝下令禁止郡國鑄錢，各地私鑄之錢運到京師銷毀；成立專門的鑄幣機構－－上林三官負責鑄造五銖錢(合今重2.9克)，這樣，就由中央壟斷了五銖錢的鑄造權。新造的五銖錢重如其文，質量很高，便於流通，直到1920年，歷代銅錢皆為五銖重。
鹽鐵官營和均輸平准政策。漢初，鹽鐵為私人經營。豪強逐漸壟斷了對國計民生有著重要影響的冶鐵煮鹽業，這不僅影響到中央財政的收入，而且助長了分裂割據勢力。元狩四年(前119年)，漢武帝採納桑弘羊、東郭咸陽和孔僅的建議，將私人壟斷的冶鐵、煮鹽業改為國家壟斷經營，在全國產鹽鐵的地方設立鹽鐵專賣署，並任命當地的大鹽鐵商為鹽官或鐵官，管理有關鹽鐵事宜。鹽鐵官營有效地解決了當時嚴重的財政經濟困難。實行鹽鐵官營，也帶來質次價高等問題，桑弘羊於元封元年(前110年)建議在全國實行均輸平准政策。所謂均輸，就是由中央政府的大農令在郡國設均輸官，負責管理、調度、征發從郡國征來的租賦財物，並負責向京師各地輸送。所謂平准，即由大農令置平准官於京師，總管全國均輸官運到京師的物資財貨，除去皇帝貴戚所用外，做為官家資本經營官營商業，「貴則賣之，賤則買之」，調劑物價，防止富商大賈從中謀取巨利，同時也增加了國家的收入。
算緡和告緡。元狩四年(前119年)，漢武帝頒布算緡和告緡的命令。算緡其實就是向大商人、高利貸者徵收財產稅。規定商人財產每2000錢，抽稅一算；經營手工業者的財產，凡4000錢抽一算；非三老和北邊騎士而有軺車者，每輛抽稅一算；商人之車，則徵收二算；船5丈以上者，每船抽稅一算，隱瞞不報或自報不實者，鼓勵知情者揭發，叫做「告緡」。凡揭發屬實，即沒收被告者全部財產，並罰戍邊一年，告發者獎給被沒收財產的一半。同時重申，禁止商人佔有土地，違者沒收。算緡告緡實行之後，政府財政收入大增，《漢書．食貨志》稱「得民財物以億計，奴婢以千萬數」，於此同時，富商大賈再受巨創。
由於中央集權大大加強，國家經濟實力雄厚，漢武帝改變了漢初以來對匈奴的和親政策，採取積極進攻的戰略。元光二年(前133年)，漢武帝採納王恢的建議，企圖誘敵深入，乘機殲滅，不料計策為匈奴軍臣單于識破。此後十餘年間，漢朝與匈奴之間，戰爭不斷，其中帶有決定性的大戰有三次：一次是元朔二年(前127年)，漢武帝派衛青等人率兵迂迴到隴西，對河套及其以南的匈奴軍進行大包圍並一舉擊潰，收復黃河以南地區，解除了匈奴對長安的威脅。第二次是元狩二年(前121年)，漢武帝派霍去病出隴西，越過焉支山(甘肅山丹東南胭脂山)西進，深入匈奴境內千餘裡，俘虜渾邪王的兒子及相國、都尉等，繳獲休屠王祭天金人，平定黃河以西地區。第三次戰役發生在元狩四年(前119年)，漢武帝派大將軍衛青和驃騎將軍霍去病分東西兩路進兵，大敗匈奴。從此之後，匈奴再也無力大舉南下，漢朝北部邊境得以安寧。
在進攻匈奴的同時，為了聯合大月氏共同夾擊匈奴，漢武帝還派張騫兩次出使西域。儘管張騫此行目的沒有達到，但是卻開闢了舉世聞名的「絲綢之路」，密切了漢朝同西域各國的關係，從而促進了東西方經濟文化的廣泛交流。
漢武帝末年，由於長時期的戰爭和奢侈浪費，導致民怨沸騰，各地農民起義不斷。漢武帝在《輪臺罪己詔》裡表示今後不再發動戰爭，「當今務在禁苛暴，止擅賦，力本農」，與民更始，發展生產。搜粟都尉趙過提出代田法，將一畝地分成三田川和三壟，年年互換位置，以休養地力，下種時把穀物種在田川裡，幼苗長出後，把壟上的土推到田川裡，這樣作物入土深，抗風耐旱。實行代田法，每畝產量可增加一斛(一斛約合30公斤)到三斛。趙過還發明瞭耬車等先進的生產工具，大大提高了勞動效率。漢武帝還採納白公的建議，於太始二年(前95年)從仲山口(陝西涇陽西北)引涇河至櫟陽(陝西臨潼櫟陽鎮)，灌溉農田4500頃，水中泥土又可肥田，這一水利工程對於關中農業生產的發展起了很大的保障作用。可見，漢武帝在晚年比較重視發展農業生產，較之從前好大喜功，似有所悔改。
後元元年(前88年)，侍中僕射馬何羅和其弟馬通等人密謀刺殺漢武帝，被金日
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