汉武帝时期，中央集权大大加强，国家经济实力空前雄厚，反击匈奴的条件完全成熟。从公元前133年至119年，汉匈之间爆发了十几场战争，其中在三次大规模战役中，汉军都取得了决定性胜利，遏制了匈奴的侵略，使北方地区得到了进一步开发，同时便利了汉朝和西域诸国的经济文化往来。
一，马邑之谋
汉武帝时，匈奴屡犯汉朝边郡，侵扰掠夺。汉武帝采取大臣王恢的建议，罢和亲政策，改为军事进攻。元光二年（公元前113年）汉武帝派遣韩安国、李广、公孙贺、王恢等人为将，率30万汉军埋伏于雁门郡马邑县（今山西朔州市）的山谷之中，另使马邑人聂翁壹出塞交易，以出卖马邑城作为诱饵，引诱匈奴单于进攻马邑。单于中计，率领十万骑入武州塞，途中见牲畜漫山而无人放牧，心生疑惑。后来匈奴攻下塞亭，俘虏汉朝官员，方知是汉朝的诱兵之计，于是急忙撤兵，马邑设伏最终以失败告终。汉朝与匈奴的大规模作战就此拉开序幕。
二，汉匈开战
元朔二年（公元前127年），匈奴以两万骑侵入上谷、渔阳，杀汉辽西太守。汉武帝派遣将军卫青、李息率三万骑岀云中，突袭河套及以南的匈奴军，匈奴白羊王逃走，西汉完全收复了河套地区，解除了匈奴对汉都长安的威胁。汉王朝在其设置朔方郡、五原郡，并重新修缮秦时所筑边塞，同年夏，募民十万徙于朔方。汉得朔方之后，匈奴连年侵入上谷、代郡、雁门等地，卫青也指挥汉军数次出击。
三，霍去病西征
元狩二年（公元前121年），汉武帝派遣将军霍去病率数万骑出陕西、北地，越过焉支山（今甘肃山丹县东南胭脂山），一如迦太基的汉尼拔横穿阿尔卑斯山，深入罗马一样。深入匈奴腹地两千余里的霍去病与匈奴军短兵肉搏，大获全胜。同年夏，霍去病第二次洗挣钱，越过居延泽（今内蒙古居延海），夺得祁连山和河西走廊，汉在这里设置了酒泉、武威、张掖、敦煌四郡，即河西四郡。匈奴退出河西走廊，编写了一首哀曲，词曰：“亡我祁连山 使我六畜不蕃息；亡我焉支山，使我妇女无颜色。”汉夺得河西走廊，隔断了匈奴和羌人的联系，又为汉通西域开辟了重要的通道。
四，浑邪王降汉
公元前121年，匈奴王单于不满浑邪王、休屠王被汉军斩杀数万人，欲召他们问罪处斩。浑、休两王不愿坐以待毙，于是共谋降汉 后来休屠王反悔，被浑邪王所杀。浑邪王并其部众，率四万余人降汉。汉武帝派遣霍去病前去迎接，斩杀欲逃亡者八千余人，浑邪王于是尽率其部渡河归汉。汉封浑邪王为漯阴侯，并分置其部众于边郡故塞外，保留匈奴人的习俗，称“五属国”。
五，漠北之战
元狩四年（公元前119年），为彻底击溃匈奴汉武帝决定派军深入漠北反击匈奴。这一年，大将军卫青和骠骑将军霍去病率领大军分东西两路同时出击，穿过沙漠，进击漠北。针对匈奴认为汉军不能远征的错误判断，西汉采取了奔袭追击的战术。卫青率军北进千余里，与匈奴单于大战于单于龙庭附近，全歼匈奴主力，单于率数百骑突围远逃，汉军直追至寘颜山（今蒙古杭爱山）赵信城。霍去病的东路军深入两千余里，与匈奴左贤王接战，大败对手，一直前进到狼居胥山（今蒙古乌兰巴托附近）。漠北战役是汉武帝时规模最大的一次对匈奴用兵。次战役汉军取得辉煌胜利，迫使匈奴向西北边远地区迁徙，匈奴力量大幅度削弱。从此，匈奴对西汉北方的威胁基本解除。
