为了进一步集中权力，确立自己的绝对威严，汉武帝先削弱相权，后又打击藩国。他采纳主父偃的建议，颁布“推恩令”，缩小诸侯的封地，削弱他们的政治军事实力。汉武帝还颁布了“左官之律”、“附益之法”以及“阿党法”，限制诸侯网罗人才，结党谋逆。
汉武帝还采取了改革监察制度、制定法律、任用酷吏严惩违法官员、加强军备等措施，以维护改革成果，加强对地方的控制，增强中央政府对外作战和对内镇压的力量。
在经济改革方面，汉武帝以重农抑商为原则，推行“算缗法”、“告缗法”、“均输法”，统一货币，统一物价，将冶铁、煮盐、酿酒等归由国家垄断经营。在农业方面，推广代田法和耧车，大修水利，治理黄河等。这一系列措施促进了农业生产，增加了政府收入，为汉帝国的强大奠定了经济基础。
为了消除边患，开疆扩土，汉武帝15次对匈奴用兵，两次派张骞出使西域，两次派李广利远征大宛，平定闽越和南越叛乱，开发西南夷，设立郡县，发兵东北征服高句丽等部，使大汉雄风扬威万里。
汉武帝晚年时极其迷信神鬼。有一次，他梦见数千个木人来打他，醒来后就病倒了。汉武帝立即怀疑有人以巫蛊诅咒他，就派江充去调查。江充无中生有，先后害死了包括汉武帝两个女儿和丞相公孙贺父子在内的数万人，后又诬陷太子。太子无奈假传圣旨捕杀江充，兵发长安，结果兵败自杀，皇后卫子夫也自杀而死。贰师将军李广利也被指控以巫蛊诅咒皇帝，迫使李广利投降了匈奴，致使7万汉军全军覆没。这次失败使武帝受到极大震动，他醒悟过来，诛灭了江充全家，为太子昭雪，建思子宫与归来望思之台纪念太子。