汉武帝即位不久，便下诏书，要求丞相、御史、列侯等各级官僚，推举贤良方正、敢于直言进谏的读书人到朝廷做官。同时，还鼓励天下吏民直接给皇帝上书，提意见，发表自己的见解。汉武帝求贤若渴，对于所上奏章，大都认真阅读，并从中选拔出不少有才干之人，如董仲舒、主父偃、严安、朱买臣等著名的思想家、政治家，便是其中的佼佼者。
元光元年(前134年)，汉武帝再次下诏，命举贤良文学上书对策，董仲舒在所上《天人三策》里提出统一思想的主张，要求将那些不符合儒家六经宗旨和孔子之术的思想学说，一律禁止，不允许其存在。这迎合了汉武帝欲加强中央集权的思想，得到了武帝的赞赏。不久，武帝便任命他为江都相，同时下令全国罢黜百家，独尊儒术。在此之前，武帝还在长安设立太学，置《诗》、《书》、《易》、《礼》、《春秋》五经博士，培养儒学后备力量。汉武帝将儒家思想定为一尊，对于此后的中国社会产生了极其深远的影响。
为了解决汉初以来形成的诸侯割据问题，加强中央集权，汉武帝于元朔二年(前127年)采纳主父偃的建议，颁布“推恩令”，规定诸侯王的封国除由嫡长子继承外，其他子弟也可在封国内分得一块封地，由皇帝授予封号。这样一来，诸侯王国就被逐渐肢解，王侯的势力进一步衰微，他们再也不可能对中央构成威胁，中央集权得到加强。汉武帝又“作左官之律，设附益之法”。左官律规定凡在诸侯国任官者，其地位低于中央政府任命的同级官僚，这就限制了诸侯获得优秀人才的可能。附益法则严格限制诸侯国的官吏为诸侯非法谋利，结党营私。元鼎五年(前112年)，参加祭扫的诸侯王在所献助祭的酎金中偷工减料，以少充多，以次充好，汉武帝令人测定酎金的成色和分量之后，以大不孝为名，削夺106人的爵位和封地。汉武帝通过这些措施，基本上结束了汉初以来诸侯割据的局面。
为了防止州郡势力过于庞大，汉武帝于元封五年(前106年)将全国分为豫、冀、徐、青、荆、扬、益、凉、并、幽、兖、朔方、交趾13个州，每州设部刺史1人，部刺史仅是个中级官吏，职位不高，可官小而权重，他们可以在皇帝规定的六条问事范围内，督察十三州的大官，甚至诸侯王。汉武帝正是通过他们来打击地方官僚和豪强地主，从而加强对地方的控制。
汉武帝限制丞相的权力，他自己亲自处理各项政务，令九卿不通过丞相直接向他奏事。与此同时，他还提拔了一批中下层官员担任自己的侍从和秘书，通过他们来发号施令。这样，在朝官中就形成了以尚书、中书、侍中等组成的“中朝”官和以丞相为首的“外朝”官，而“中朝”的地位更加重要，遂成为实际的决策机关。
汉武帝扩大选官范围，建立察举征召制度。所谓察举就是由食禄二千石者推荐，通过考试后，即可授予官职。不久，汉武帝又规定依据人口的数量，按一定的比例进行选举，不需资产的限制。所谓征召就是由皇帝直接召见那些有一定能力而又不肯出仕的隐士，由皇帝直接授予官职。同时，天下吏民若有上书言事而又言之成理者，亦授予官职。另外，博士弟子中考试成绩优异者，亦可入仕。通过这些措施，汉武帝选拔出一批才华出众之士，充实了官僚机构。
汉武帝在财政经济方面也采取了一些新的措施，加强中央对全国经济的控制，以解决日益严重的财政困难。
改革币制，将铸币权收归中央。汉初，听任郡国自由铸钱，社会上流通的货币极其混乱，引起物价上涨，阻碍了商品的正常交换。同时，由于一些贵族官僚和富商大贾操纵铸币权，富埒天子，这也威胁到中央。元鼎四年(前113年)汉武帝下令禁止郡国铸钱，各地私铸之钱运到京师销毁；成立专门的铸币机构－－上林三官负责铸造五铢钱(合今重2.9克)，这样，就由中央垄断了五铢钱的铸造权。新造的五铢钱重如其文，质量很高，便于流通，直到1920年，历代铜钱皆为五铢重。
盐铁官营和均输平准政策。汉初，盐铁为私人经营。豪强逐渐垄断了对国计民生有着重要影响的冶铁煮盐业，这不仅影响到中央财政的收入，而且助长了分裂割据势力。元狩四年(前119年)，汉武帝采纳桑弘羊、东郭咸阳和孔仅的建议，将私人垄断的冶铁、煮盐业改为国家垄断经营，在全国产盐铁的地方设立盐铁专卖署，并任命当地的大盐铁商为盐官或铁官，管理有关盐铁事宜。盐铁官营有效地解决了当时严重的财政经济困难。实行盐铁官营，也带来质次价高等问题，桑弘羊于元封元年(前110年)建议在全国实行均输平准政策。所谓均输，就是由中央政府的大农令在郡国设均输官，负责管理、调度、征发从郡国征来的租赋财物，并负责向京师各地输送。所谓平准，即由大农令置平准官于京师，总管全国均输官运到京师的物资财货，除去皇帝贵戚所用外，做为官家资本经营官营商业，“贵则卖之，贱则买之”，调剂物价，防止富商大贾从中谋取巨利，同时也增加了国家的收入。
算缗和告缗。元狩四年(前119年)，汉武帝颁布算缗和告缗的命令。算缗其实就是向大商人、高利贷者征收财产税。规定商人财产每2000钱，抽税一算；经营手工业者的财产，凡4000钱抽一算；非三老和北边骑士而有轺车者，每辆抽税一算；商人之车，则征收二算；船5丈以上者，每船抽税一算，隐瞒不报或自报不实者，鼓励知情者揭发，叫做“告缗”。凡揭发属实，即没收被告者全部财产，并罚戍边一年，告发者奖给被没收财产的一半。同时重申，禁止商人占有土地，违者没收。算缗告缗实行之后，政府财政收入大增，《汉书·食货志》称“得民财物以亿计，奴婢以千万数”，于此同时，富商大贾再受巨创。
由于中央集权大大加强，国家经济实力雄厚，汉武帝改变了汉初以来对匈奴的和亲政策，采取积极进攻的战略。元光二年(前133年)，汉武帝采纳王恢的建议，企图诱敌深入，乘机歼灭，不料计策为匈奴军臣单于识破。此后十余年间，汉朝与匈奴之间，战争不断，其中带有决定性的大战有三次：一次是元朔二年(前127年)，汉武帝派卫青等人率兵迂回到陇西，对河套及其以南的匈奴军进行大包围并一举击溃，收复黄河以南地区，解除了匈奴对长安的威胁。第二次是元狩二年(前121年)，汉武帝派霍去病出陇西，越过焉支山(甘肃山丹东南胭脂山)西进，深入匈奴境内千余里，俘虏浑邪王的儿子及相国、都尉等，缴获休屠王祭天金人，平定黄河以西地区。第三次战役发生在元狩四年(前119年)，汉武帝派大将军卫青和骠骑将军霍去病分东西两路进兵，大败匈奴。从此之后，匈奴再也无力大举南下，汉朝北部边境得以安宁。
在进攻匈奴的同时，为了联合大月氏共同夹击匈奴，汉武帝还派张骞两次出使西域。尽管张骞此行目的没有达到，但是却开辟了举世闻名的“丝绸之路”，密切了汉朝同西域各国的关系，从而促进了东西方经济文化的广泛交流。
汉武帝末年，由于长时期的战争和奢侈浪费，导致民怨沸腾，各地农民起义不断。汉武帝在《轮台罪己诏》里表示今后不再发动战争，“当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农”，与民更始，发展生产。搜粟都尉赵过提出代田法，将一亩地分成三田川和三垄，年年互换位置，以休养地力，下种时把谷物种在田川里，幼苗长出后，把垄上的土推到田川里，这样作物入土深，抗风耐旱。实行代田法，每亩产量可增加一斛(一斛约合30公斤)到三斛。赵过还发明了耧车等先进的生产工具，大大提高了劳动效率。汉武帝还采纳白公的建议，于太始二年(前95年)从仲山口(陕西泾阳西北)引泾河至栎阳(陕西临潼栎阳镇)，灌溉农田4500顷，水中泥土又可肥田，这一水利工程对于关中农业生产的发展起了很大的保障作用。可见，汉武帝在晚年比较重视发展农业生产，较之从前好大喜功，似有所悔改。
后元元年(前88年)，侍中仆射马何罗和其弟马通等人密谋刺杀汉武帝，被金日
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