汉朝已经过六七十年的休养生息，经济、军事、政治力量空前加强，对匈奴作战的条件成熟了。于是汉武帝改变和亲政策，发动了对匈奴的战争。从元光六年（前129年）到元狩四年（前119年）十年间，汉与匈奴进行了十多次战争，其中大规模的战争有三次。第一次为河南战役。元朔二年（前127年），汉武帝派卫青率军出击，把匈奴赶出河套地区，设立朔方、五原两郡。同时，修复了该地的秦长城，并移民10万口在此开发防守。河套地区土地肥沃，宜耕作畜牧，是匈奴南下的根据地。收复河套地区，解除了匈奴对京师长安的威胁。第二次战役是收复河西地区，称河西战役。元狩二年（前121年），汉武帝以霍去病为骠骑将军，率军出陇西西击匈奴，汉军西进千余里，攻克焉支（今甘肃山丹东南）、祁连二山，大败匈奴军。西汉占领河西走廊，设立了张掖、酒泉、武威、敦煌四郡。河西四郡的建立，重新沟通了内地与西域的直接交通，隔绝了匈奴与羌的联系，削弱了匈奴的力量。
第三次战役是在元狩四年（前119）发动的漠北战役。这是汉武帝时期规模最大的一次对匈奴用兵。汉武帝命卫青、霍去病各率领5万骑兵，分两路同时出击，穿过沙漠，进击漠北。卫青率军与匈奴大战，全歼匈奴主力，匈奴单于战败率几百骑兵突围逃遁。汉军追击至颜山赵信城（今蒙古杭爱山）。霍去病率军从东路出击，大败匈奴左贤王，杀虏匈奴七万余人，一直追至狼居胥山（今蒙古乌兰巴托附近），到达瀚海（约今贝加尔湖）。此次战役汉军取得决定性的胜利，“是后，匈奴远遁，而漠南无王廷”
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