漢武帝是第一位在統一的國家制定、頒佈太初曆的皇帝，以正月爲歲首這一點，一直沿用至今。中國漢初以前，主要採用“古六歷”（黃帝、顓頊、夏、殷、周、魯）中的《顓頊歷》。太初元年（公元前104年）改太初曆，以正月爲歲首，色尚黃。《太初曆》的制訂是中國歷史上具有重要性的一次曆法大改革，是中國文明在世界天文學上的不朽貢獻。《太初曆》的科學成就，首先在於曆法計算上的精密準確。
漢武帝創建太學、鄉學，設立舉賢制度，形成了中國獨特的文官制度。
樂府一名本指管理音樂的官府。漢武帝在掌管雅樂的太樂官署之外，另創立樂府官署，掌管俗樂，收集民間的歌辭入樂。“采詩夜誦，有趙、代、秦、楚之謳”、“以李延年爲協律都尉，多舉司馬相如等數十人造爲詩賦，略論律呂，以合八音之調，作十九章之歌”。後人把樂府機關配樂演唱的詩歌，也稱樂府。
漢武帝時期出現了秦統一後中國見於史籍記載的《輿地圖》，元狩四年四月丙申，“太僕臣公孫賀行御史大夫事……奏輿地圖，請所立國名。
漢武帝派張騫通西域，打通了絲綢之路，促進了中、西雙方的經濟、文化交流。這在中國史上屬首次。從西域胡（黃）瓜、胡豆、胡麻、石榴、胡蘿蔔、葡萄、汗血馬、核桃、苜蓿種植，從大宛引進了良種馬———天馬，西域的樂曲、魔術傳至中國。中國傳出了冶鐵術、鑿井術、絲綢製造、漆器製造等技術，井渠法作龍首渠，後傳入今中國新疆地區，並進而入波斯等地。中原大量的絲織品和金屬工具向西輸送，鑄鐵技術，井渠法也傳到西域，歷史意義重大。
西域同內地的聯繫開始於遙遠的歷史年代，到公元前2世紀左右，西域分爲三十六國，互不統屬。在天山以北的準噶爾草原有烏孫、且彌等國；在天山以南，崑崙山以北的塔里木盆地地區，又分爲南道諸國和北道諸國。
北道諸國有龜茲（新疆庫車）、疏勒、焉耆（新疆焉耆）、車師（新疆吐魯番）等較大的國家。南道諸國有莎車（新疆莎車）、于闐（新疆和田）、樓蘭（新疆羅布泊西）等國。漢武帝任命張騫爲中郎將，率領三百多隨員，攜帶大批金幣絲帛以及牛羊向西域進發。張騫到達烏孫後，原定目的雖未達到，大宛、康居、月氏、大夏等國。
元鼎二年（前115年）張騫回來，烏孫派使者幾十人隨同張騫一起到了長安。此後，漢武帝派出的使者還到過安息（波斯）、身毒（印度）、奄蔡（在鹹海與裡海間）、條支（安息屬國）、犁軒（附屬羅馬的埃及亞歷山大城），中國使者還受到安息專門組織的二萬人的盛大歡迎。自此，絲綢之路正式開通。[101]開闢了鏈接東到長安，西到羅馬帝國，最遠至埃及亞歷山大的貿易通道。
元封三年（前108年），漢武帝命趙破奴率軍進攻樓蘭、車師，並在酒泉（甘肅酒泉）至玉門關一帶設立亭障，作爲供應糧草的驛站和防守的哨所。
太初元年（前104年）漢武帝派李廣利出征大宛，擊敗大宛後，西域的交通更加通順。西漢又在樓蘭、渠犁（新疆塔里木河北）、輪臺（新疆庫車縣東）等地設校尉管理屯田，這是漢在西域最早設置的軍事和行政機構，實際上西域已經正式納入中華版圖。
元封二年（公元前109年），漢武帝親臨現場督察堵塞黃河瓠子決口。
徵和元年（前92年），漢武帝住在建章宮，看到一個男子帶劍進入中龍華門，懷疑是不尋常的人，便命人捕捉。該男子棄劍逃跑，侍衛們追趕，未能擒獲。漢武帝大怒，將掌管宮門出入的門候處死。冬十一月，漢武帝徵調三輔地區的騎兵對上林苑進行大搜查，並下令關閉長安城門進行搜索，十一天後解除戒嚴。巫蠱事件開始出現。
丞相公孫賀之子公孫敬聲擅自動用軍費1900萬錢，事敗後被捕下獄。時值漢武帝下詔通緝陽陵大俠朱安世，公孫賀爲贖兒子之罪，將朱安世捕獲移送朝廷。孰料朱安世在獄中上書，聲稱公孫敬聲與陽石公主私通，在馳道上埋藏木人以詛咒皇帝。漢武帝大怒，公孫賀父子死獄中，滿門抄斬。陽石公主、諸邑公主，衛青之子長平侯衛伉相繼被牽連入內，被殺。
這時，方士和各類神巫多聚集在京師長安，大都是以左道旁門的奇幻邪術迷惑衆人，無所不爲。一些女巫來於宮中，教宮中美人躲避災難的辦法，在每間屋裡都埋上木頭人，進行祭祀。因相互妒忌爭吵時，就輪番告發對方詛咒皇帝、大逆不道。漢武帝大怒，將被告發的人處死，後宮妃嬪、宮女以及受牽連的大臣共殺了數百人。
漢武帝產生疑心以後，有一次，在白天小睡，夢見有好幾千木頭人手持棍棒想要襲擊他，霍然驚醒，從此感到身體不舒服，精神恍惚，記憶力大減。江充自以爲與太子劉據、衛皇后有嫌隙，見漢武帝年紀已老，害怕漢武帝去世後被劉據誅殺，便定下奸謀，說漢武帝的病是因爲有巫術蠱作祟造成的。立即派江充去追查。
江充率領胡人巫師到各處掘地尋找木頭人，並逮捕了那些用巫術害人。江充一直搜查到衛皇后和太子劉據的住室，把事先準備好的木頭人拿出來陷害太子。此時漢武帝在甘泉宮養病，不在長安。
徵和二年（前91年）七月壬午，劉據派人假冒使者收捕江充等人，把江充殺了。蘇文逃到漢武帝處，向漢武帝控訴劉據，漢武帝開始並不相信此說，派使者召劉據，但使者不敢到劉據那裡，回報漢武帝說“太子反已成，欲斬臣，臣逃歸。”漢武帝大怒，下令丞相劉屈氂率兵平亂。劉據帶人離去，將長安四市的市民約數萬人強行武裝起來，到長樂宮西門外，正遇到劉屈髦率領的軍隊，與丞相軍激戰五日，死者數萬人。長安城有流言說太子謀反，所以人們不敢依附劉據，而劉屈髦一邊的兵力卻不斷加強，最終，劉據勢孤力弱而兵敗，唯有逃離長安。漢武帝憤怒異常，唯有壺關三老令孤茂敢上書漢武帝爲劉據申冤。
劉據向東逃到湖縣（今河南靈寶西），隱藏在泉鳩裡。主人家境貧寒，經常織賣草鞋來奉養劉據。劉據有一位以前相識的人住在湖縣，聽說很富有，太子派人去叫他，於是消息泄露；八月辛亥（初八），地方官圍捕劉據；劉據知道自己難以逃脫，便回到屋中自縊而死；主人與搜捕太子的人格鬥而死，二位皇孫也一同遇害。
劉據有三子一女，全部因巫蠱之亂而遇害，劉據之子、史皇孫劉進有一子劉病已倖存，尚在襁褓中，後改名劉詢，爲漢宣帝。久而久之，巫蠱事多不信。官吏和百姓以巫蠱害人罪相互告發的，經過調查發現多爲有不實。漢武帝頗知當時劉據只是惶恐不安並無謀反的意圖，高寢郎田千秋訟劉據冤曰：“子弄父兵，罪當笞；天子之子過誤殺人，當何罷哉！臣嘗夢見一白頭翁教臣言。”於是漢武帝霍然醒悟，立即就任命田千秋爲大鴻臚，並下令將江充滿門抄斬，將蘇文燒死在橫橋之上。曾對劉據兵刃相加的人也陸續被殺。漢武帝憐劉據無辜，就派人在湖縣修建了一座宮殿，叫作“思**”，又造了一座高臺，叫作“歸來望思之臺”，藉以寄託他對劉據和那兩個孫子的思念，天下聞而悲之。
漢武帝晚年求神仙又不成，又因巫蠱之禍造成父子相殘、太子劉據自殺，種種打擊使武帝心灰意冷，對自己過去的所作所爲頗有悔意。在登泰山、祀明堂之後，武帝下《輪臺罪己詔》說“朕即位以來，所爲狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有傷害百姓，糜費天下者，悉罷之！”以表示承認自己的錯誤。天下也因此又逐漸歸於和諧，爲昭宣中興的盛世奠定了基礎。
後元元年（前88年），漢武帝叫畫工畫了一張“周公背成王朝諸侯圖”送給霍光，意思是讓霍光輔佐他的小兒子劉弗陵作皇帝。在這段時間裡，劉弗陵的母親鉤弋夫人“因過”受到斥責，憂死於雲陽宮。一般認爲是子幼母壯，爲了防止鉤弋夫人重演呂后稱制的局面，漢武帝找藉口處死了她。
後元二年（前87年）二月，漢武帝於彌留之際立劉弗陵爲太子，四天後的丁卯日，漢武帝駕崩於五柞宮，享年七十歲。三月甲申葬於茂陵（今陝西興平縣東北）。霍光正式接受漢武帝遺詔，成爲漢昭帝劉弗陵的輔命大臣，與車騎將軍金日磾、左將軍上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同輔佐朝政。
劉徹去世後，諡號孝武皇帝，廟號世宗（魏晉南北朝之前，去世的皇帝能否追尊廟號有非常嚴格的規定，按照“祖有功而宗有德”的標準，開國君主一般是祖，繼嗣君主有治國才能者爲宗。西漢十四帝，歷經211年，僅有四位皇帝擁有廟號，即太祖高皇帝劉邦、太宗孝文帝劉恆、世宗孝武帝劉徹、中宗孝宣帝劉詢）。其後繼者昭帝（實爲霍光掌政）和宣帝堅持執行武帝晚年制定的與民休息的政策，因而在西漢中期出現了被後世稱頌的昭宣中興局面。
漢武帝是中國封建王朝中最傑出的君主之一，奠定了漢王朝強盛的局面，成爲中國封建王朝第一個發展高峰，還開闢了遼闊的疆域，奠定了漢地的基本範圍。武帝開始華夏族亦稱漢族。