诸王叛乱平定后，李广调往上谷、上郡、陇西、雁门、代郡、云中等西北边陲做太守，抗击匈奴的入侵。
一次，匈奴进攻上郡，景帝派了一名亲随到李广军中，这名亲随带了几十骑卫士出游，路上遭遇三名匈奴骑士。结果，卫士们全被射杀，亲随本人也中箭逃回。李广闻讯，即率百名骑兵追击，亲自射杀其中两人，生擒一人。刚把俘虏缚上马，匈奴数千骑兵赶来，见到李广等人，以为是汉军诱敌之兵，迅速占领了有利地形准备作战。李广带领的骑兵见状立马要逃。李广大怒：“我们远离大军数十里，逃跑只有死路一条！不逃，匈奴也不一定敢攻击我们。”遂带领兵士向匈奴骑兵迎去。离匈奴阵前二里之遥，李广令士兵下马解鞍，匈奴搞不清他们的意图，果然不敢贸然出击，只派一名士兵来阵试探，李广飞马抢到阵前，将他射落马下，然后从容归队。到夜半时，匈奴因为担心有埋伏，遂引兵而去。
公元前140年，汉武帝即位，调李广为未央卫尉，与老同事程不识一同上任。程不识和李广都曾任边郡太守并兼管军队驻防，两人一块出兵攻打匈奴的时候，李广行军无严格队列、阵势，靠近水源的地方驻扎军队，停宿的地方比较便利，晚上也不打更自卫，幕府简化各种文书簿册，但他远远地布置了哨兵，所以不曾遭到过危险。程不识与李广相反，他对队伍编制、行军队列驻营阵势要求很严格，对文书军吏处理考绩等公文簿册毫不含糊。
程不识曾说：“李广治军简便易行，然而敌人如果突然进犯，他就无法阻挡了。他的士卒倒也安逸快乐，都甘心为他拼命。我的军队虽军务繁忙，但敌人也不敢侵犯我。”那时，李广、程不识都是汉朝边郡名将，但显然李广的名气更大一些，士兵也大多愿跟随李广。
公元前133年，汉武帝听从王恢之言，在马邑伏重兵意图围歼匈奴，但因单于生疑退兵而作罢。李广马邑之战时是骁骑将军，属护军将军，因此无功而返。
公元前129年，汉武帝派李广、公孙敖、公孙贺和卫青四人率四万大军分别从雁门、云中、代郡、上谷四个方面同时出击入侵的匈奴军。名声在外的李广得到了匈奴的重兵接待，结果倒霉的李广靠装死捡回一条命。回到汉朝京城，朝廷把李广交给执法官，被判了一个斩首。最后李广拿出身家财产赎罪，才免去死罪被削职为民。之后，李广在家闲居数年，与灌强一起隐居蓝田，常到南山打猎，曾在一天夜里带着一名骑马随从外出，和别人在田间饮酒。归来走到霸陵亭，霸陵尉喝醉了，大声呵斥禁止他们通行。李广随从说：“这是前任李将军。”但是今非昔比，成为普通人的李广报名号不好使了，廷尉说：“现任将军尚且不许通行，何况前任呢！”便扣留了李广，让他停宿在霸陵亭下。
没过多久，匈奴入侵杀死辽西太守，于是汉武帝重新启用李广，任他为右北平太守。李广提了个要求，让霸陵尉一起赴任，然后找机会把这个当年冒犯过自己的人给杀了。李广驻守右北平后，匈奴人敬畏李广的威名，几年内没有骚扰辽西地区。没过多久，石建去世，于是皇上召李广接替石建任郎中令。
公元前123年，李广又受任后将军，随大将军卫青的军队从定襄出塞，征伐匈奴，许多将领因斩敌首级符合定额以战功被封侯，而李广的军队却没有战功。
公元前120年，李广率四千骑兵出右北平，配合张骞出征匈奴。兵进数百里，突然被匈奴左贤王率四万骑兵包围，汉兵死伤过半，箭矢也快用完了。李广令士兵们引弓不发，他自己以大黄弓连续射杀匈奴裨将多人。匈奴兵将大为惊恐，纷纷被李广的神勇所镇住而不敢妄动，直到第二日，汉军主力赶到，李广军得以解出重围。
李广的最后一次出征是在公元前119年，也就是漠北之战的这一年，在这里，戎马一生的李广以悲剧的方式结束了自己的一生。出征时，卫青任将军，李广以六十多岁的高龄任前将军职。出塞后，李广跟卫青提意见说：“我的职务是前将军，大将军却命令我从东路出兵，我从少年时就与匈奴作战，至今才得到与匈奴对阵的一次机会，我愿做前锋，先与单于决战。”然而汉武帝在出发之前交代过卫青，李广年老，命运不好，不让他与单于对阵。于是卫青没有答应李广的请求，李广心中郁闷地前往军部，领兵与赵食其合兵后从东路出发。由于当时缺乏高科技工具，也没有向导领路，结果李广一行就迷路了，等卫青与单于交战收兵后，才遇到李广与赵食其。
战后，卫青派长史送给李广干粮和酒，顺便向李广、赵食其询问迷路情况，好给汉武帝上书报告军情。李广没有回答，长史得令后请李广的幕府人员前去受审对质，被李广拦下说：“校尉们无罪，是我迷失道路，我现亲自到大将军幕府去受审对质。”到大将军幕府，李广说：“我从少年起与匈奴作战七十多次，如今有幸随大将军出征同单于军队交战，可是大将军又调我的部队走迂回绕远的路，偏偏迷路，难道不是天意吗？如今我已经年过花甲，何必再回去受那些刀笔吏的侮辱呢。”说完拔刀自刎。
一代名将就这样悲惨地陨落了。
张骞回国，开发西域
张骞，汉中成固（今陕西城固）人，公元前140年为郎。当时的汉朝已经日渐强盛，但北边匈奴却仍然时有侵犯。汉武帝憋着气准备给这帮“打不死的小强”们一点颜色看看。那会儿西域对汉人来说，是一片新世界，没有人知道那片土地上有什么国家，他们过着什么样的生活。一个偶然的机会，汉武帝从一个俘虏那里知道西域有个国家叫大月氏，大月氏国的皇帝被匈奴单于杀死，他的头还被砍下来，头颅做成酒杯。大月氏人受不了匈奴的残暴，便迁徙到天山北麓的伊犁河流域，后又受乌孙国的攻击，再向西南迁到妫水（今阿姆河）流域。月氏王想报杀父之仇，但苦于无人相助。这对武帝来说是一个好机会，正好可以联合月氏一起对抗匈奴。可是这件事情需要一个人去沟通，一番举荐之后，汉武帝决定派张骞以郎官身份应募，肩负出使月氏任务。
随行的人除匈奴人堂邑父外，共有一百多人。这是张骞第一次出使西域，未知的旅程在等着他。
公元前139年，张骞一行从长安起程，经陇西向西行进。西北气候干燥，风沙又大，一路走来困难重重。走到河西走廊这一带时，张骞被匈奴骑兵发现，一行人一个不落地全都被俘，西行计划暂时搁浅，这一耽搁就是十年。
匈奴人知道张骞西行的目的后，既没有打也没有杀，而是把他们全都分散去放羊牧马，并且严加管制。匈奴人还给张骞娶了匈奴女子为妻，一是监视他，二是希望这糖衣炮弹能诱使他投降。但是，张骞“不辱君命”，“持汉节不失”，始终没忘记自己的使命。虽被软禁放牧，度日如年，但他一直在等待时机，准备逃跑。
在被扣押期间，张骞韬光养晦，使匈奴人放松警惕，放宽对他的监禁。终于，机会降临在时刻准备着的人身上，张骞和少数随从趁匈奴看管不注意，逃跑了。由于他们仓促出逃，没有准备干粮和饮用水，一路上常常忍饥挨饿，干渴难耐，随时都有生命危险。好在堂邑父射得一手好箭，沿途常射猎一些飞禽走兽，饮血解渴，食肉充饥，才躲过了死亡的威胁。“西走数十日至大宛”，翻过冰冻雪封的葱岭(今帕米尔高原)，来到了大宛国(今费尔干纳)。这下歪打正着，大宛国王早就想跟汉朝交往，听说张骞来了，很高兴，问他：“你要到哪里去？”张骞答：“我要出使月氏，没想到中途被匈奴抓了。现在我逃出来了，希望国王派人送我去月氏。我回汉朝后定会告诉汉王，用很多财物感谢你。”
大宛国王欣喜不已，派人把张骞护送到康居，由康居转送大月氏。可是到了大月氏以后，发现情况跟当时报告的不一样了。这十年中，老国王被匈奴人杀害，太子被立为王，征服了大夏。新国王认为，大月氏土地肥美，人民安居乐业，而且离汉朝太远，没有必要再去大动干戈报复匈奴。张骞在月氏停留了一年，始终不能圆满达成使命，只好回国。
公元前128年，张骞取道昆仑山北麓，打算从青海柴达木盆地的羌族居住区回国。这一次，张骞很不幸地又被匈奴抓到了，关了一年多之后，即公元前126年，匈奴内部发生了****，张骞趁乱逃回长安。回国后，汉武帝封他为太中大夫，堂邑父为奉使君。
从公元前139年到公元前126年，张骞历尽千辛万苦，用了十三年时间，出发时带着随从一百多人，返回时，只剩堂邑父一人同行。虽然这次出使付出了很高的代价，没有达到汉武帝要求的政治目的，但是张骞是个细心的人，一路走来所遇到的人和事他都仔细记录下来。张骞把这些地理知识写成报告上奏汉武帝，使生活在中原内地的人们，获得了有关西域各国极为丰富的地理知识，了解到西域的实况。后来司马迁也是根据这些报告写成了《大宛列传》保存至今。
张骞是中国历史上第一次以汉朝使者的身份，与西域的一些国家交往的人，沟通了汉朝与西域各国之间的联系。历史上称他的这次出使是“凿空(孔)”，意思是张骞打开了汉朝通往西域的通道。这次出使西域的另一个意义是激发了汉武帝扩张边疆的信心，为后来的抗击匈奴做了铺垫。
张骞在大夏时，看到邛山（今四川荥经西）的市场有竹杖和蜀地的细布售卖，觉得很奇怪，好奇之下就去打听，然后得知是从“身毒”（天竺）买来的。张骞一想，身毒在大夏东南数千里，那里的军队出行都骑象，临近大海。大夏国远离汉朝一万余里，位于中国的西南方，而身毒国又位于大夏国东南几千里，竟有蜀地的东西出售，可见这两个地方应该是离得不远。于是，张骞建议武帝打通西南夷道。
武帝采纳了他的建议，命蜀郡、犍为郡派使者分别从駹、莋和邛、僰等四路并出，打开西南通道。但这个计划因为受到当地少数民族的阻止，最终没能实现。张骞所领导的由西南探辟新路线的活动，虽没有取得预期的结果，但对西南的开发是有很大贡献的。张骞派出的使者，已深入到当年庄乔所建的滇国。而使者经滇国、夜郎等在滇一带活动，取得成效，为武帝经略西南夷奠定了基础。
公元前123年，张骞以校尉随大将军卫青出征匈奴，有功，封博望侯。公元前121年为卫尉，与李广出右北平（今河北东北部）击匈奴，张骞因延误军期，当斩，后用侯爵赎罪，免为庶人。两年后，张骞复出，给武帝上书建议联合乌孙（在今伊犁河流域）断“匈奴右臂”。汉武帝批准后，派张骞第二次出使西域。
汉武帝派了三百人跟张骞一同出使，另有牛羊金帛以万数。张骞到乌孙，分遣副使往大宛、康居、月氏、大夏、安息、身毒等周边各国，足迹遍及中亚、西南亚各地，最远的使者到达地中海沿岸的罗马帝国和北非。不过，这次出使乌孙虽然一路顺利，但目的并没有达到，因为此时乌孙国内爆发了内战。尽管没能立即与乌孙结成军事联盟，但双方在政治上和经济上的联系变得频繁而密切，两国之间的农牧产品的交流蓬勃开展，并确立了和亲关系。公元前105年，江都公主刘细君下嫁乌孙王昆莫。
张骞回国后被封为大行，列于九卿，于第二年去世。之后，他派出去的那些出使西域各国的副使陆续与西域诸国建立了往来关系，汉朝与西域的道路完全打通，来往使者络绎不绝。张骞两次出使西域，不仅丰富了当时国人的地理知识，扩大了地理视野，而且直接促进了汉朝和西方物质文化的交流。中国精美的手工艺品，特别是丝绸、漆器、玉器、铜器传列西方，而西域的土产如苜蓿、葡萄、胡桃（核桃）、石榴、胡麻（芝麻）、胡豆（蚕豆）、胡瓜（黄瓜）、大蒜、胡萝卜，各种毛织品、毛皮、良马、骆驼、狮子、鸵鸟等陆续传入中国，西方的音乐、舞蹈、绘画、雕塑、杂技也传入中国，对中国古代文化艺术产生了积极的影响。
为了纪念张骞通西域的功绩，其后使者皆以“博望侯”相称，以取信于各国。
武帝征战四方，开疆扩土
陆贾在汉文帝和汉景帝时代，两次出使南越国，南越武帝赵佗被陆贾说服，对汉朝俯首称臣。公元前137年，赵佗去世，由于他去世时已达百余岁高龄，其儿子都已经死去，他的王位就交由孙子赵胡(又名赵眜)继承。赵胡曾借助汉武帝的力量平定了闽越王郢的叛乱，答应要去朝见汉武帝，但是后来却一直以生病为由推脱，并将太子赵婴齐送到汉武帝身边充当侍卫。
汉武帝为了加强对南越国的控制，送给赵婴齐很多汉族的美女做姬妾，其中樛氏最为得宠，并生有两个儿子：赵兴、赵次公。公元前122年，赵胡病重，他的儿子赵婴齐向汉武帝请求回到南越国。汉武帝将赵婴齐和樛氏等人送回广州。同年，赵胡死去，赵婴齐回国继承王位。赵婴齐在没去长安之前，曾经在南越娶当地的南越女人橙氏为妻，并生了长子赵建德，按制度，应该立赵建德为太子，橙氏为王后。但樛氏在汉朝陪伴赵婴齐十几年，又有西汉朝廷为后盾，因此赵婴齐请求将樛氏立为王后、赵兴立为太子，得到汉武帝的批准。
南越国内的官员因赵婴齐舍弃长子和越妻，而将小妾樛氏及其儿子立为王后、太子，相当不满，因此对樛氏母子并不依附。赵婴齐舍长立幼，为将来南越国之乱种下了祸根。
