在匈奴远遁后，刘彻又剑指其他地区，继续开疆拓土。元鼎四年（公元前113年），武帝刘彻派安国少季、终军等人出使南越，说服南越王赵兴内附。但南越丞相吕嘉不愿归汉，后杀死南越王赵兴及其母汉女樛氏，安国少季、终军等汉使亦遇害。刘彻闻言大怒派路博德、杨仆等人发兵攻打南越。消灭南越后设置南海等九郡，将今广东、广西、海南以及越南中北部地区并入版图。此后几年，又陆续平定西羌、卫氏朝鲜、东越、西南夷等政权或民族，将今青海东部、朝鲜半岛北部、云贵高原等地并入版图。

    元鼎四年（公元前113年）六月，汾阴出土宝鼎，被认为是祥瑞之兆，此后刘彻命令讨论封禅事宜，并在三年后完成封禅泰山的盛典，改元元封。封禅泰山是治定功成的象征，但刘彻并未停止用兵的步伐，还将兵锋移至更遥远的西域大宛，于是有了太初年间李广利西征大宛之役，经过数年苦战，终于斩大宛王，屯田于轮台、渠犁，初步控制西域。但匈奴在西域仍然保持较大的影响力，导致西域小国选择“两属”以自保。而匈奴经过十余年“休养息士马，习射猎”，元气有所恢复，再加上卫青、霍去病已经去世，便拒绝了按刘彻要求派太子入质汉朝，重新成为汉朝边患。因此刘彻于太初四年（公元前101年）下诏发兵征讨匈奴，企图一举解决匈奴问题。然而前后数次征战皆不利，李陵、李广利等将领都已经投降匈奴。刘彻用兵数十年，造成民力疲敝，到元封四年（公元前107年），关东流民超过了二百万人，不在户籍者四十万，出现了“城郭仓廪空虚，民多流亡”“天下虚耗，人复相食”的局面。刘彻不得不停止征战。

    征和四年（公元前89年）春，刘彻亲赴东莱求仙，适逢暴风骤雨，流高潮涌，无法出海，停留十余日后返还。在封泰山、禅石闾以后，刘彻召见群臣，追悔以往的过失，命遣散方士，停止求仙。同年，搜粟都尉桑弘羊等请求在轮台屯田，刘彻下《轮台诏》，否决其议，并强调“当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农，修马复令以补缺，毋乏武备而已”。自此以后，刘彻不再出兵，而且封丞相田千秋为“富民侯”，表明与民休息之意；又任命赵过为搜粟都尉，让他推广代田法和先进农具。

    公元前88年，江充余党马通、马何罗等谋划刺杀刘彻，近侍官员金日磾发觉，与另外两名近侍官员霍光、上官桀合力粉碎了阴谋，保护了刘彻。

    （公元前87年）春，刘彻病重，迁居于郊外长杨宫、五柞宫。

    同年二月十四日，刘彻驾崩，三月下葬于茂陵。谥号孝武皇帝。

    官制改革

    废止太尉一职，后新设大司马，以卫青、霍去病充任，但只是给贵戚的尊宠之位，并不负责军政。因此宰相之职从原来的三公（丞相、御史大夫、太尉）变成了二府（丞相和御史大夫）。

    起用近臣参与决策，以制衡丞相权力。刘彻提拔一批有才干的士人，在宫中充当皇帝近侍的将军、侍中、常侍、给事中等官职，成为“出入禁门腹心之臣”。刘彻用近臣参与决策的代表性的例子有用严助之策否决田蚡之策，出兵攻闽越、救东瓯，以及用主父偃之策行推恩令来削弱诸侯王，临终前所托孤的四大臣皆都是近臣。由此逐渐形成了侍中为代表的“中朝官”和丞相为代表的“外朝官”的二元体制。

    赋予宦官职权。刘彻所重用的“近臣”除了士人，还有宦官。因为他“游宴后庭”，所以让宦官主管机密事务的上奏，开启了宦官掌管尚书(主管群臣奏章等文书)的先河，称之为“中书谒者”，同时设中书谒者令、中书谒者仆射，均由宦官担任。

    加强监察官职，元狩五年（公元前118年）在丞相府增设司直一职，协助丞相检举不法。元封五年（公元前106年）依据《禹贡》《职方》等古籍，分天下为十三州，每州设刺史，以六条问事来监察州内地方官及豪强。征和四年（公元前89年）设司隶校尉，监督朝中百官和京畿七郡。刘彻在位后期，还有非常设的绣衣直指（绣衣使者）代表皇帝处理盗贼及重大案件。

    外戚政策。在汉景帝时期开始了以姻亲封外戚为侯的先例，但当时外戚并未进入权力核心圈子汉武帝即位，作为帝舅的田蚡、田胜都以亲亲封侯。武安侯田蚡先为太尉，后“以肺腑为相”，权极一时。田以帝舅身份为丞相“入奏事，语移日，所言皆听荐人或起家至二千石，权移主上”。尽管田蚡势大，但仍未达到专权的局面。田蚡之后，武帝严格控制外戚以姻亲封侯。卫青、霍去病、李广利等贵戚皆以军功封侯，三人虽贵为将军手握重兵，却不能沾染政治。

    刘彻一直坚持法治方针，对犯法的皇亲国戚也不纵容，甚至不惜处死了自己的外甥兼女婿昭平君，并嘉奖提拔了逮捕自己另一外甥（异父姐金俗之子）的义纵。但也有些许例外，如因倡优郭舍人巧妙求情而饶恕了自己的乳母（东武侯郭他之母，因家人犯法被迁徙边塞）。

    为了强化法制，刘彻于元光五年（公元前130年）命中大夫张汤、赵禹修订律令，最终确立了汉朝律法的框架，即律、令共计359章，死刑409条、1882事，死罪决事比13472事。其中代表性的例子就是强化了“见知故纵监临部主法”的规定，即主管官吏故意放跑罪犯就与犯罪者同罪；同时“缓深故之罪”，即放宽对官吏制造冤假错案的治罪。由此引发了刘彻在位时期的严刑峻法和酷吏盛行之风。刘彻还打击关东社会的豪侠，迁徙关东豪侠于关中、并族诛豪侠郭解，以促使汉律下沉到关东基层社会。此外，刘彻在位时期，在董仲舒等人的推动下，实现了司法的初步儒家化，开启了春秋决狱的先河。