元光五年，青为车骑将军，击匈奴，出上谷；太仆公孙贺为轻车将军，出云中；大中大夫公孙敖为骑将军，出代郡；卫尉李广为骁骑将军，出雁门：军各万骑。青至茏城，斩首虏数百。
——《史记·卫将军骠骑将军列传》
汉武帝即位以来，凭借着汉初数代统治者的积累，汉朝的国力已经相当雄厚。正因如此，当汉武帝刘彻自建元六年（前135年）亲政以后，才会一改汉初的战略防御策略，开始积极进取，力图实现“王者无外”的大一统目标。
汉武帝即位之初，虽然由于“建元新政”的失败，导致此后数年间始终无所作为，但汉武帝并未就此丧失斗志，更没有就此放弃改革。建元年间，汉武帝经常微服民间，为的就是亲自感受民间疾苦，发现朝廷弊政，然后返回宫廷，针对发现的问题，与那些招揽到身边的贤良文学商议对策，制定措施。
可以说，整个建元年间，汉武帝看似什么都没有做，整日带着人游山玩水，但那不过是表面假象罢了，他实际上早已经为自己的亲政做好了充足的准备。
正因如此，当窦太后于建元六年（前135年）去世，汉武帝亲政以后，立即便展开了大刀阔斧的改革。
在东南方向，汉初基本采用“越人治越”的羁縻政策，分封越人首领为王，使其治理其地，即使这些越人首领并不遵照礼仪按时朝贡朝见，甚至时常与朝廷分封的诸侯国爆发冲突，朝廷也从无惩戒。汉武帝即位之后，却摒弃了汉初以来的羁縻政策，转而采取武力征服的策略，历经两次出兵，实现了东瓯的内附，闽越和南越也相继臣服，使得西汉东南边疆日趋稳定。
在西南方向，随着唐蒙和司马相如开通西南夷道，西南夷各部的相继归附，汉朝的统治终于走出了四川盆地，迈向了云贵高原地区。虽然西南夷道的开通极为困难，不仅需要从千里之外转运粮饷，而且参与修筑的兵民多因疲惫饥饿和炎热潮湿的气候而丧命，数年内都没能见到成效，但为了确保汉朝南方边境的安宁，使得朝廷攻打匈奴没有后顾之忧，汉武帝还是不顾公孙弘等大臣的反对，极力支持西南夷道的开发。
在北方，面对实力强劲的匈奴，汉武帝一改汉初以来的和亲政策，开始尝试主动出击，试图依靠武力化解匈奴的威胁。
当时，由于河西之地和西域地区也在匈奴的统治之下，匈奴几乎从北部和西北部对汉朝形成了半包围态势，汉朝的边境压力极大，尤其是京师所在的关中地区，由于距离边境太近，面临着极大的威胁。
为了缓解边境的军事压力，当汉武帝从匈奴降兵口中得知，当初被匈奴击败，被迫从河西地区西迁至西域的大月氏部落，多年来一直有报仇之意后，早在即位之后的第三年，即建元二年（前139年），便派遣张骞前往西域，试图联系大月氏，从东西两面共击匈奴，可惜的是张骞这一走，便就此失去了消息。
到了元光二年（前133）年，汉武帝又采纳王恢的建议，发动“马邑之围”，试图一举消灭匈奴主力。虽然这次计划以失败告终，王恢也因此下狱自尽，但汉武帝却并未放弃主动出击的打算，面对汉匈关系破裂以来的匈奴连年入侵，汉武帝断然拒绝了主父偃、严安等人以恢复和亲，换取国家稳定的建议，继续为汉匈战争做着准备。
人才方面，元光元年（前135年）时，汉武帝便诏命郡国每岁举孝者、廉吏各一人，使得举孝廉成为定制。而在窦婴、田蚡死后，汉武帝又于元光五年（前130年）再度下诏举贤良文学，成功征召公孙弘等大臣入朝，随着民间的贤良人才不断被征召进朝廷，汉朝政治格局焕然一新，并使得汉武帝彻底摆脱外戚和功勋集团掣肘，集权程度进一步加强。
内政方面，为了改变朝廷暮气沉沉、民间豪强林立的局面，汉武帝于元光五年（前130年）命中大夫张汤、赵禹修订律令，重新确立汉律框架，先后修订律令共计359章，其中死刑409条、1882事，死罪决事比事。此外，汉武帝还强化了“见知故纵监临部主法”的规定，即主管官吏故意放跑罪犯者，与犯罪者同罪；又明确了“缓深故之罪”，即放宽对官吏制造冤假错案的治罪。
这些法令措施的出台，无疑极大加强了各级官吏，尤其是地方官吏的惩治力度，一改过去地方官员无所作为，对恶霸豪强无能为力的无能局面。此举虽然使得汉武帝在位期间酷吏盛行，但却极大打击了各种违法犯罪活动，强化了朝廷的统治权威，遏制了地方豪强的滋生，一定程度缓解了内部矛盾。
经济层面，汉武帝于元光六年（前129年）下达“算缗令”，即对有市籍的商人征收运输车税。同年，汉武帝又采纳了大司农郑当时“引渭穿渠”的建议，即从渭水开辟了一条连接黄河的河道，以加强关东向关中运送粮食的效率。为此，朝廷征发数万人，前后历经三年，修建了一条长达三百里的漕渠河道，不仅极大改善了运输条件，提高了运输效率，降低了运输成本，而且还对河道附近的一万多顷农田起到了灌溉作用。
从即位之初开始，汉武帝便将北部的匈奴，视为最大的威胁，可以说整个元光年间的改革，都是在为汉匈战争做准备。历经元光年间的数年改革，汉武帝不仅加强了皇权，稳固了统治，更是从内到外做好了对匈奴发动战争的各项准备。
元光六年（前129年），匈奴袭扰上谷郡，杀害抢掠边地官吏百姓。经过数年的筹备与隐忍，自认已经做好了出击匈奴完全准备的汉武帝，对于匈奴的这次入侵没有了任何容忍，他果断下诏调集大军，对匈奴展开反击。
对于这场自“马邑之围”后汉军的首次出击，汉武帝无比重视，他亲自部署作战计划，命令汉军兵分四路出击，其中车骑将军卫青出上谷、骑将军公孙敖出代郡、轻车将军公孙贺出云中、骁骑将军李广出雁门，四路将领各率一万骑兵，共同迎击匈奴。
其实从这次领兵将领的人选，也不难看出汉武帝以内朝压制外朝的心思。四员将领中，只有李广是成名多年的老将，多年来在边地任职的他，常年与匈奴交战；公孙贺虽然也是少年从军的武将出身，但却是因为迎娶了卫子夫的姐姐卫孺，而深受汉武帝的宠信；至于卫青、公孙敖两人，则是彻彻底底的汉武帝宠臣，常年跟随在汉武帝左右的他们，乃是汉武帝一步步看着成长起来的。从领兵将领的人选上不难看出，汉武帝对于这次出征不仅寄予了厚望，而且有意用亲信取代老将掌握兵权。
被汉武帝寄予厚望的四路大军，结局各不相同。公孙敖自代郡出兵后，与匈奴大军遭遇，一番血战下来，阵亡了七千骑兵，损失过半；李广更惨，从雁门关出击的他，则遭遇了匈奴主力，结果李广不仅兵败，就连自己都被俘虏了，好在军臣单于早闻李广大名，一心想要活捉，否则恐怕李广就要战死沙场了；而公孙贺一路自云中郡出击后，却压根没有找到匈奴的军队，虽无斩获，却也无过。
不过，李广虽然兵败被擒，但他却着实胆大心细，匈奴人将他放置在两匹马中间的网上，他便躺在网上一动不动，等到匈奴士兵渐渐对他放松警惕，这才突然跳将起来，夺了匈奴士兵的战马，在数百匈奴骑兵的追击下，纵马狂奔而去，不仅成功逃回了塞内，还用夺来的弓箭射杀了数名匈奴骑兵。
四路大军之中，只有卫青率领的一路骑兵有所斩获，卫青自上谷郡出兵后，在没有遭遇匈奴主力部队的情况下，选择了避实击虚，直接率兵扑向了匈奴人的祭天圣地——龙城。
自西汉立国以来，汉匈战争始终都是匈奴主攻、汉军主守，匈奴人压根没想到汉军会深入自己腹地，因此龙城虽然重要，但留守的匈奴军队却着实不多，反倒被卫青打了个措手不及，一番交战下来，卫青斩首七百而回。
战后，由于公孙敖和李广两路兵马损失太大，两人皆被汉武帝下狱，交由廷尉治罪，全部被判处死刑，后经缴纳赎金，才被免罪为民。公孙贺一路无功无过，自然也就无赏无罚。
汉武帝为此下诏说，“夷狄背信弃义，由来已久，多年来匈奴屡次侵犯边境，朕这才不得不派诸位将领统率将士迎敌。自古以来治兵都是出则治兵、入则振旅，然而此次出兵，皆因匈奴突然入侵，我军将士多为新兵，上下尚不协调，尤其是兵出代郡的将军公孙敖和兵出雁门的将军李广，其部属素质极为低劣，校尉违命盲动，甚至弃军而逃，小吏更是屡屡犯禁。
军法有言：不勤不教，将帅之过也；教令宣明，不能尽力，士卒之罪也。如今两位将军已交付廷尉，按法论罪，如果对一般士卒也要绳以军法，使将军与士卒并罚，那就不是仁圣之心了。朕认为此次战败，普通士卒多是受到牵连，如果全部治罪，要是他们想立功赎罪、重新杀敌卫国，就没有条件和机会了。因此赦免雁门、代郡两军中的犯有一般违纪错误的士卒。”
这次出击，乃是西汉立国以来，第一次针对匈奴的主动出击，在此之前面对匈奴入侵时，虽然汉军也曾出兵迎战，但往往只是将匈奴赶出边塞了事，从未主动深入草原。此次则不然，尤其是卫青，竟然率兵直接深入草原深处，打到了匈奴腹地。
因此，虽然此战的斩获明显低于损失，但为了鼓舞军心，增强朝野信心，更为了鼓励将士们奋勇杀敌，汉武帝还是选择对卫青取得的“龙城之战”之胜利大肆宣扬，并对卫青这种敢于长途奔袭，主动寻敌交战的做法大为赞赏，卫青不仅因此战之功被加封为关内侯，更是成为了日后汉武帝对匈奴作战的主要将领。
不过，汉武帝虽然大肆宣扬“龙城之战”的胜利，但这更多是出自于政治宣传的需要，正如他在诏书中所言，此战实际上还是暴露出了汉军存在的诸多问题。
由于数十年的休养生息，此时的汉朝军队，除了长期与匈奴作战的北部边塞武装外，内地汉军由于久疏战阵，不论是士兵素质还是基层军官，相较于汉初已经出现了明显下滑，虽说面对南方越人和西南夷尚能取胜，但面对更为凶悍匈奴人，便明显不是对手了。
正因如此，汉武帝在对匈奴持续作战的同时，也在不断提升汉军的战斗力。
先秦时期，国家军队主要都是以征兵制为主，即兵农合一的制度，百姓们平时耕地、农闲训练、轮流服役，战时则接受朝廷征发出征。这种制度虽然能够确保国家拥有足够的兵员储备，但军队战斗力却无法保证，因此战国时期列国便开始在征兵制的基础上兼行募兵制，组建脱产职业军队，作为国家的常备军，用以增强军队战斗力，例如魏国的魏武卒、秦国的秦锐士。这些职业军队不仅通过较为严格的将士选拔，确保了兵源素质，而且由于他们不用兼顾生产，只负责训练打仗，训练量也较之普通军队更大，因此战斗力十分强悍。
汉朝以来，朝廷沿用的仍是征兵制，然而由于久无战事、民心思定，导致军队战斗力急速下滑。为此，汉武帝便开始在征兵制的基础上再度兼行募兵制，即从农民、流民、特赦罪犯、放免奴隶中，选取身体好、胆量大、技能优的“勇敢士”从军，以充实朝廷的常备军，作为朝廷出征的主要军事力量。
此外，汉初时期，军队主要装备的武器乃是汉剑，然而剑由于双面开刃并不利于马上作战，且不利于劈砍、易折断，导致汉军士兵在与匈奴骑兵的近身格斗中往往处于劣势，进而导致大量伤亡。
为此，汉武帝开始学习匈奴人，着手以刀取代汉剑装备军队，在当时冶铁技术的支撑下，进而催生出了最利于砍杀的环首刀，再加上强弩铁戟的长短程配合，极大加强了汉骑兵的攻击力，而铁制铠甲的逐渐普及，则极大增强了士兵防御力。