汉武帝刘彻是秦始皇以后又一位雄才大略的皇帝，他把秦始皇创建、汉高祖重建的帝国体制进一步强化、完善，使大汉帝国尽显其威仪，并且走向了顶峰。汉武帝为了提高皇帝的威权，双管齐下。一方面，有意削弱丞相的职权，扩大太尉的职权，把太尉改为大司马，又加上大将军的称号，大司马大将军分割了丞相的军权。另一方面，建立宫廷决策班子，任命一些高级侍从（待中、给事中），可以直接与皇帝讨论国家大政方针；还起用高级宦官担任中书，掌管尚书之职一一出纳章奏，掌握机要。于是形成宫内的决策班子，称为“中朝”或“内朝”，使得以丞相为首的中央政府机构一“外朝”，沦为执行一般政务的行政机构。
汉武帝为了加强中央对地方的控制，创建刺史制度。全国分为十三部，由皇帝向每一部派遣一名刺史，代表中央负责监察地方。这种监察权，包括视察政治状况，决定官员的任免升降，平反冤假错案，监察郡国一级长官与地方豪强。西汉有一百零八个郡国一级政区，由中央直接管理似乎鞭长莫及，刺史部的建立解决了这一难题。刺史部就是一个监察区，负责监察若干郡国。然而刺史的地位不高，俸禄仅六百石，而郡国守相俸禄二千石，以小制大，用小官来监察大官，可谓一举两得:既防止监察区成为变相的一级行政区，又收到中央管理之效。汉武帝为了加强中央军权，改变军队分散于全国各地而首都内外没有重兵的状况，设立中央常备兵。先是设立期门军、羽林军，选拔陇西、天水等六郡所谓“良家子”，训练成为精锐部队；以后又训练阵亡将士子弟，称为“羽林孤儿”，很有战斗力。中央常备军的建立，对于帝国体制具有重要意义，它是历代王朝“内重外轻”（重中央轻地方）兵制的开创。
汉武帝为了加强中央财政，任命理财家桑弘羊主管财政，进行改革。首先是“盐铁官营”，把生产与销售盐铁的权利收归国家垄断，打击操纵盐铁经营的地方豪强势力。其次是“平准均输”。平准法是由中央政府在首都长安设置平准官，按照价格波动，收购或抛售货物，调解供需，控制市场。均输法是由中央政府在各地设置均输官，调节各地运往首都的物资，以保证军需供给，都市消费，仓库积储。平准均输政策打击了奸商囤积居奇、哄抬物价，既维护了民众利益，又加强了中央集权雄才大略的汉武帝在位的半个多世纪，使泱泱大汉登上了顶峰，帝国国家的财政基础。已强大到足以向边陲地区及亚洲腹地不断地发动军事远征。向西南远征的结果，在云南和四川设立了胖柯郡、越郡、益州郡；对南越的远征，把中华帝国的版图扩大到越南的北部，汉朝在这片地区建立了九个郡；向东北远征的结果，在朝鲜半岛设立了四个郡。
很长一段时间里，集中兵力在北方与西北方。从公元前年起，在名将李广、卫青、霍去病的指挥下，向经常骚扰中原的游牧民族匈奴发起攻势，不久在西北边睡设立了朔方郡和五原郡张骞两次出使西域，完成了探索中亚的史诗般功业。张骞的第一次出使旨在联合在阿姆河流域的大月氏夹击匈奴第二次出使旨在联合伊型河流域的乌孙夹击匈奴，目的都是“断匈奴右臂”。张骞归国后向汉武帝报告了在西域的见闻，关于中亚的第一手资料，其中包括少许有关印度和前往印度的路线等情况，也提到中国丝绸出口的最西面的目的地一罗马帝国，这是中国首次得到关于罗马帝国的消息。今人仍可从《史记大宛列传》看到当时的盛况。从当时的首都长安向西，前往河西走廊，再由武威经张掖、酒泉，到达敦煌。从敦煌西行，经玉门关、阳关往西的商路有两条:一条是南道一一从部善沿南山（昆仑山）北麓至莎车，西越葱岭（帕米尔），到达大月氏、安息诸国，再西去可以抵达大秦（罗马帝国）；另一条是北道一一沿北山（天山）南麓西行，越过葱岭的北部，向西可以到达大宛、康居、奄蔡诸国，再往西可以抵达大秦。这就是彪炳于史册的丝绸之路。
西域的开通，使丝绸之路在全球历史上声名远扬。中国的使臣和商人到达奄蔡（今里海东岸）、安息（波斯，即今伊朗）、条支、黎靳（地中海东岸）。中亚、西亚各国的使节和商人来到中国。中国的精美丝绸由中亚、西亚运到罗马帝国，成为罗马元老院议员和贵族夫人的珍贵服装面料。罗马人当时仅仅知道中国是丝绸的产地，因此把中国称为Seres，即拉丁语的“丝绸”但是，安息和中亚各国都极力想维持各自在丝绸之路中的利益，不愿意中华帝国和罗马帝国直接接触。对此，墨非《亚洲史》写道:“于是，中国和罗马这两个在领土大小、发展水平、国力和成就方面都相近的帝国，除旅行者讲述的故事外，基本上互相不了解。如果中国人与罗马或印度帝国及其先进文明有过接触，他们很可能在这种经验的基础上形成一种不同的更开放的对待外部世界的态度。与中国一样，罗马和孔雀印度都修建了道路、堤防和规划完善的城市，在扩张主义的世界性体系下融合了不同的文化，与自己帝国边境的“野蛮人”进行斗争。
三国之中，汉帝国最大也可能人口最多和最富裕，尽管它的文化发展水平和技术成熟程度也许与古印度和罗马相当。”墨菲还指出，在中亚塔什干附近的塔拉斯河两岸，汉朝军队击溃了包括一些雇佣军的匈奴联军。根据中国史书记载，这些雇佣军可能是罗马帝国派来的援军，因此中国人也许看到过罗马士兵一一用盾牌交搭头上以避箭矢的龟甲形连环盾编队，这可能是中华帝国与罗马帝国唯一一次直接接触。由此也引申出另一历史之谜。据说，公元前53年，古罗马“三巨头”之一的克拉苏率领大军东征安息，在卡菜尔（今叙利亚的帕提亚）遭到安息军队围歼，统帅克拉苏阵亡，罗马军团几乎全军覆没，只有克拉苏的长子率领第一军团六千余人突围，以后却神秘地失踪了，成为罗马史上的一桩悬案经过中外学者的研究，这批古罗马人后来在中国西北建立了一个城市一骊轷。
有的学者在《汉书陈汤传》中发现，公元前36年，西汉王朝的西域都护甘延寿和副校尉陈汤，率领四万将士西征匈奴，注意到匈奴单于手下有一支奇特的雇佣军，其独特的阵法、战法带有古罗马军队的特色这支军队可能就是失踪的罗马第一军团。值得注意的是，后来河西地区突然出现了一个叫做骊群”的县，修建了骊新城堡。这可以在《后汉书》中找到佐证:“汉初设骊轩县，取国名为县。”骊是汉朝对罗马帝国的称呼，所谓“取国名为县”，就是用罗马国名为县名。失踪的罗马第一军团的后裔，以后就在这里繁衍生息。细轩古城位于今甘肃省永昌县，现在只留下一些遗迹。据考古学家研究，细轩遗址的古城墙是“重木城”城墙外加固重木，这种防御方式是古罗马所独有的。当地的村民带有欧洲人的体格特征:个子高大，眼深陷，头发呈棕色，皮肤呈深红色。
最有意思的是村民至今保留了古罗马人的斗牛遗风。这一骊靳之谜，如果得到证实，可以再现二千年前世界上东西方两个帝国之间的密切关系，再现过去和现在之间的对话，让历史的魅力显露得淋漓尽致。不过一些学者认为，要解开这一迷团，历史依据尚嫌不足。我们不妨寄希望于未来。一系列伟大成就，使汉武帝踌躇满志，忘乎所以，接连不断发动了十几次战争，造成人民无法忍受的苦难。这无论如何是他的一大败笔。他死后，朝廷大臣提议给他一个“世宗”谥号，意为开创新纪元的典范。遭到经学家夏侯胜的强烈反对，理由是这位已故皇帝野心勃勃的战争给人民带来无穷灾难。杨联陞《中国历史上朝代轮廓的研究》指出:一般来说，中国传统是从一个朝代的创立者那里期望军事上的业绩，而从他的继承人那里期望内政上的成就，因而就区分出创业之君与守成之主。一个朝代中期的扩张主义皇帝常常遭到指责。
