汉武帝是第一位在统一的国家制定、颁布太初历的皇帝，以正月为岁首这一点，一直沿用至今。中国汉初以前，主要采用“古六历”（黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁）中的《颛顼历》。太初元年（公元前104年）改太初历，以正月为岁首，色尚黄。《太初历》的制订是中国历史上具有重要性的一次历法大改革，是中国文明在世界天文学上的不朽贡献。《太初历》的科学成就，首先在于历法计算上的精密准确。汉武帝创建太学、乡学，设立举贤制度，形成了中国独特的文官制度。乐府一名本指管理音乐的官府。汉武帝在掌管雅乐的太乐官署之外，另创立乐府官署，掌管俗乐，收集民间的歌辞入乐。“采诗夜诵，有赵、代、秦、楚之讴”、“以李延年为协律都尉，多举司马相如等数十人造为诗赋，略论律吕，以合八音之调，作十九章之歌”。后人把乐府机关配乐演唱的诗歌，也称乐府。汉武帝时期出现了秦统一后中国见于史籍记载的《舆地图》，元狩四年四月丙申，“太仆臣公孙贺行御史大夫事……奏舆地图，请所立国名。汉武帝派张骞通西域，打通了丝绸之路，促进了中、西双方的经济、文化交流。这在中国史上属首次。从西域胡（黄）瓜、胡豆、胡麻、石榴、胡萝卜、葡萄、汗血马、核桃、苜蓿种植，从大宛引进了良种马———天马，西域的乐曲、魔术传至中国。中国传出了冶铁术、凿井术、丝绸制造、漆器制造等技术，井渠法作龙首渠，后传入今中国新疆地区，并进而入波斯等地。中原大量的丝织品和金属工具向西输送，铸铁技术，井渠法也传到西域，历史意义重大。西域同内地的联系开始于遥远的历史年代，到公元前2世纪左右，西域分为三十六国，互不统属。在天山以北的准噶尔草原有乌孙、且弥等国；在天山以南，昆仑山以北的塔里木盆地地区，又分为南道诸国和北道诸国。北道诸国有龟兹（新疆库车）、疏勒、焉耆（新疆焉耆）、车师（新疆吐鲁番）等较大的国家。南道诸国有莎车（新疆莎车）、于阗（新疆和田）、楼兰（新疆罗布泊西）等国。汉武帝任命张骞为中郎将，率领三百多随员，携带大批金币丝帛以及牛羊向西域进发。张骞到达乌孙后，原定目的虽未达到，大宛、康居、月氏、大夏等国。元鼎二年（前115年）张骞回来，乌孙派使者几十人随同张骞一起到了长安。此后，汉武帝派出的使者还到过安息（波斯）、身毒（印度）、奄蔡（在咸海与里海间）、条支（安息属国）、犁轩（附属罗马的埃及亚历山大城），中国使者还受到安息专门组织的二万人的盛大欢迎。自此，丝绸之路正式开通。[101]开辟了链接东到长安，西到罗马帝国，最远至埃及亚历山大的贸易通道。元封三年（前108年），汉武帝命赵破奴率军进攻楼兰、车师，并在酒泉（甘肃酒泉）至玉门关一带设立亭障，作为供应粮草的驿站和防守的哨所。太初元年（前104年）汉武帝派李广利出征大宛，击败大宛后，西域的交通更加通顺。西汉又在楼兰、渠犁（新疆塔里木河北）、轮台（新疆库车县东）等地设校尉管理屯田，这是汉在西域最早设置的军事和行政机构，实际上西域已经正式纳入中华版图。元封二年（公元前109年），汉武帝亲临现场督察堵塞黄河瓠子决口。征和元年（前92年），汉武帝住在建章宫，看到一个男子带剑进入中龙华门，怀疑是不寻常的人，便命人捕捉。该男子弃剑逃跑，侍卫们追赶，未能擒获。汉武帝大怒，将掌管宫门出入的门候处死。冬十一月，汉武帝征调三辅地区的骑兵对上林苑进行大搜查，并下令关闭长安城门进行搜索，十一天后解除戒严。巫蛊事件开始出现。丞相公孙贺之子公孙敬声擅自动用军费1900万钱，事败后被捕下狱。时值汉武帝下诏通缉阳陵大侠朱安世，公孙贺为赎儿子之罪，将朱安世捕获移送朝廷。孰料朱安世在狱中上书，声称公孙敬声与阳石公主私通，在驰道上埋藏木人以诅咒皇帝。汉武帝大怒，公孙贺父子死狱中，满门抄斩。阳石公主、诸邑公主，卫青之子长平侯卫伉相继被牵连入内，被杀。这时，方士和各类神巫多聚集在京师长安，大都是以左道旁门的奇幻邪术迷惑众人，无所不为。一些女巫来于宫中，教宫中美人躲避灾难的办法，在每间屋里都埋上木头人，进行祭祀。因相互妒忌争吵时，就轮番告发对方诅咒皇帝、大逆不道。汉武帝大怒，将被告发的人处死，后宫妃嫔、宫女以及受牵连的大臣共杀了数百人。汉武帝产生疑心以后，有一次，在白天小睡，梦见有好几千木头人手持棍棒想要袭击他，霍然惊醒，从此感到身体不舒服，精神恍惚，记忆力大减。江充自以为与太子刘据、卫皇后有嫌隙，见汉武帝年纪已老，害怕汉武帝去世后被刘据诛杀，便定下奸谋，说汉武帝的病是因为有巫术蛊作祟造成的。立即派江充去追查。江充率领胡人巫师到各处掘地寻找木头人，并逮捕了那些用巫术害人。江充一直搜查到卫皇后和太子刘据的住室，把事先准备好的木头人拿出来陷害太子。此时汉武帝在甘泉宫养病，不在长安。征和二年（前91年）七月壬午，刘据派人假冒使者收捕江充等人，把江充杀了。苏文逃到汉武帝处，向汉武帝控诉刘据，汉武帝开始并不相信此说，派使者召刘据，但使者不敢到刘据那里，回报汉武帝说“太子反已成，欲斩臣，臣逃归。”
汉武帝大怒，下令丞相刘屈氂率兵平乱。刘据带人离去，将长安四市的市民约数万人强行武装起来，到长乐宫西门外，正遇到刘屈髦率领的军队，与丞相军激战五日，死者数万人。长安城有流言说太子谋反，所以人们不敢依附刘据，而刘屈髦一边的兵力却不断加强，最终，刘据势孤力弱而兵败，唯有逃离长安。汉武帝愤怒异常，唯有壶关三老令孤茂敢上书汉武帝为刘据申冤。刘据向东逃到湖县（今河南灵宝西），隐藏在泉鸠里。主人家境贫寒，经常织卖草鞋来奉养刘据。刘据有一位以前相识的人住在湖县，听说很富有，太子派人去叫他，于是消息泄露；八月辛亥（初八），地方官围捕刘据；刘据知道自己难以逃脱，便回到屋中自缢而死；主人与搜捕太子的人格斗而死，二位皇孙也一同遇害。刘据有三子一女，全部因巫蛊之乱而遇害，刘据之子、史皇孙刘进有一子刘病已幸存，尚在襁褓中，后改名刘询，为汉宣帝。久而久之，巫蛊事多不信。官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发的，经过调查发现多为有不实。汉武帝颇知当时刘据只是惶恐不安并无谋反的意图，高寝郎田千秋讼刘据冤曰：“子弄父兵，罪当笞；天子之子过误杀人，当何罢哉！臣尝梦见一白头翁教臣言。”
于是汉武帝霍然醒悟，立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾对刘据兵刃相加的人也陆续被杀。汉武帝怜刘据无辜，就派人在湖县修建了一座宫殿，叫作“思**”，又造了一座高台，叫作“归来望思之台”，借以寄托他对刘据和那两个孙子的思念，天下闻而悲之。汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸造成父子相残、太子刘据自杀，种种打击使武帝心灰意冷，对自己过去的所作所为颇有悔意。在登泰山、祀明堂之后，武帝下《轮台罪己诏》说“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”
以表示承认自己的错误。天下也因此又逐渐归于和谐，为昭宣中兴的盛世奠定了基础。后元元年（前88年），汉武帝叫画工画了一张“周公背成王朝诸侯图”送给霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。在这段时间里，刘弗陵的母亲钩弋夫人“因过”受到斥责，忧死于云阳宫。一般认为是子幼母壮，为了防止钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝找借口处死了她。后元二年（前87年）二月，汉武帝于弥留之际立刘弗陵为太子，四天后的丁卯日，汉武帝驾崩于五柞宫，享年七十岁。三月甲申葬于茂陵（今陕西兴平县东北）。霍光正式接受汉武帝遗诏，成为汉昭帝刘弗陵的辅命大臣，与车骑将军金日磾、左将军上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同辅佐朝政。刘彻去世后，谥号孝武皇帝，庙号世宗（魏晋南北朝之前，去世的皇帝能否追尊庙号有非常严格的规定，按照“祖有功而宗有德”的标准，开国君主一般是祖，继嗣君主有治国才能者为宗。西汉十四帝，历经211年，仅有四位皇帝拥有庙号，即太祖高皇帝刘邦、太宗孝文帝刘恒、世宗孝武帝刘彻、中宗孝宣帝刘询）。其后继者昭帝（实为霍光掌政）和宣帝坚持执行武帝晚年制定的与民休息的政策，因而在西汉中期出现了被后世称颂的昭宣中兴局面。汉武帝是中国封建王朝中最杰出的君主之一，奠定了汉王朝强盛的局面，成为中国封建王朝第一个发展高峰，还开辟了辽阔的疆域，奠定了汉地的基本范围。武帝开始华夏族亦称汉族。