汉武帝雄才大略，文治武功。二十二岁亲政后，倚仗祖辈父辈积累的雄厚国力，摈弃“黄老之学”与“和亲”政策，坚持对北方匈奴用兵，维护国家尊严和边境安宁。期间，涌现出卫青、霍去病两位杰出的将帅，驰骋大漠，北击匈奴，攻无不克，战无不胜，建立了不朽的功勋。
卫青（公元前？～前106年）字仲卿，河东平阳（今山西临汾西南）人。生母卫媪是汉武帝姐姐平阳公主家的女仆，原先生有一男三女。其中，第三个女儿叫卫子夫。后来，卫媪与平阳公主家的男佣私通，生了个儿子，这个儿子就是卫青。卫子夫雪肤花颜，能歌善舞，被平阳公主养为歌伎。建元二年（公元前139年），汉武帝赴平阳公主府饮宴，发现了美貌的卫子夫，大加宠幸，带进宫中。卫青继被平阳公主养为骑奴。卫青志向远大，一边放牧牛马，一边阅读兵书，渴望日后能够从军，建功立业。
卫子夫入宫，受到皇后陈阿娇的强烈妒忌。陈阿娇想方设法谋害卫子夫，激起汉武帝的反感。汉武帝干脆封卫子夫为夫人，并提拔卫青为建章监。陈阿娇非常气愤，伙同其母刘嫖，派人绑架卫青，用以敲山震虎。卫青得到好友公孙敖等人的解救，安全无恙。汉武帝鄙视刘嫖、陈阿娇的无耻行径，针锋相对，又提拔卫青为侍中、太中大夫。陈阿娇出于仇恨，私搞“巫蛊”，诅咒汉武帝和卫子夫。事情败露，汉武帝大怒，立即废黜陈阿娇，把她打入长门宫。陈阿娇且羞且愤，不久忧郁而死。
卫青出身贫苦，勇壮多力，特别在军事方面表现出了独到的才干，很受汉武帝的赏识。元光六年（公元前129年），汉武帝破格提拔卫青为车骑将军，率领公孙贺、公孙敖、李广三员大将，兵分四路，征伐匈奴。公孙贺、公孙敖、李广三路损兵折将，唯有卫青一路不负所望，深入大漠，进军至匈奴腹心龙城（今蒙古鄂尔浑河西和硕柴达木湖附近），斩杀匈奴军七百多人。这个战果不算辉煌，然而却是西汉对匈奴作战以来取得的首次胜利。卫青因此被封为关内侯。
战争使卫青崭露头角。元朔元年（公元前128年），卫子夫生子刘据，被立为皇后。卫青更加受到重用。秋天，汉武帝实施“河南（河套地区）战役”，命卫青为将军，统领三万精锐骑兵，从雁门出塞，攻击匈奴楼烦王和白羊王。这一仗取得了巨大的胜利，不仅收复了河南地区，而且消灭敌军数千人，俘获牲畜一百多万头。汉武帝异常兴奋，诏令嘉奖卫青及其副将，改封卫青为长平侯，增加封邑三千八百户。然后，汉朝在河南地区设置朔方郡（今内蒙古乌拉特前旗南）和五原郡（今内蒙古包头西北），徙民定居屯垦，使之成为捍卫长安的北部屏障和进击匈奴的战略基地。
元朔五年（公元前124年），汉武帝把“防胡”的战略部署改为“灭胡”，又派三路大军攻击匈奴。卫青统领三万骑兵出高阙（今内蒙古乌拉特中后旗西南），日夜兼行，直捣匈奴右贤王的营帐驻地。匈奴右贤王万没料到汉军如此神速，吓得三魂丢了两魂，只带着一名爱妾、数百名骑兵，连夜逃跑。卫青指挥士兵奋力冲杀，共俘虏匈奴副王十余人，男女一万五千余人，牛羊百万余头。捷报传至长安，汉武帝马上派出使节，持大将军印信，到军中拜卫青为大将军，又增加其封邑八千七百户。卫青凯旋，汉武帝为之举行了盛大隆重的仪式，并宣布封卫青的儿子卫伉为宜春侯，卫不疑为阴安侯，卫登为发干侯。朝臣三呼万岁。卫青反而不自在起来，说：“臣赖陛下圣明，出师大捷，这是众将士的功劳。陛下重封于臣，臣感激不尽，只是臣的儿子尚在襁褓中，没有丝毫功劳，受封列侯，恐怕怠慢了众将士。”汉武帝说：“朕并没有忘记他们。”于是诏令，把所有从征的将领皆封为侯，对士兵则一律给予重赏。
元朔六年（公元前123年），卫青再次率兵征伐匈奴，其外甥霍去病出尽了风头。霍去病（公元前140～前117年），其父霍仲孺私通卫子夫的姐姐卫少儿所生。霍去病因是卫子夫、卫青的外甥，任职侍中，十八岁时作为剽姚校尉，跟随卫青出征。“剽姚”意为勇猛迅疾。霍去病在战斗中，确实表现出了剽姚的特点，率领八百名骑兵，脱离大部队，追逐匈奴兵数百里，杀死和俘获敌军二千余人，其中包括匈奴单于的两个长辈。由于他骁勇异常，功勋卓著，汉武帝破例封他为冠军侯，食邑二千五百户。
汉武帝敏锐地觉察到霍去病是个将帅之才，决定予以重用。元狩二年（公元前121年），汉武帝实施“河西（河西走廊地区）战役”，果断地任命霍去病为骠骑将军，率一万骑兵，孤军深入沙漠，攻击匈奴休屠王和昆邪王。霍去病可谓初生牛犊不怕虎，身当重任，无所畏惧，率领骑兵从陇西（今甘肃西部）出塞，经过金城（今甘肃兰州西北）和令居（今甘肃永登西），翻越乌鞘岭，渡过狐奴河，转战六天，沿途消灭五个匈奴部落。然后跨过焉支山（今甘肃山丹南），迅速向西挺进一千余里，深入河西地区，寻到匈奴休屠王和昆邪王的主力。休屠王和昆邪王根本没有想到河西腹地会出现汉军，仓促应战，战斗至为激烈。霍去病的骑兵犹如下山的猛虎，出海的蛟龙，直捣敌阵，左右攻杀。匈奴军阵脚大乱，一败涂地，死了八千多人。休屠王和昆邪王见势不妙，带领残部，狼狈逃往祁连山（今甘肃酒泉东南）方向。他们的部下折兰王、卢胡王，被当场击杀。昆邪王的儿子、相国、都尉等，则被生擒活捉。就连休屠王祭天所用的金人，也成了汉军的战利品。
捷报飞马送达长安，人人吃惊。谁也不敢相信，这一辉煌的战绩，竟出自二十岁的军事统帅霍去病之手。汉武帝为了奖励霍去病的赫赫战功，下令给他增加封邑二千户，全体将士赐予金帛，回师休整，驻军陇西待命。不久，霍去病再次出征。汉武帝任命公孙敖为将军，率领三千名骑兵，补充到霍去病骑兵的行列。同时任命李广、张骞为将军，率一万四千骑兵，从右北平出塞，攻击匈奴左贤王，牵制匈奴兵力，策应河西攻击战。霍去病善出奇兵，没有重复原先的进军路线，改从北地郡（今甘肃庆阳西南）出塞，实行深远的大迂回。公孙敖部因不熟悉地形，迷失了道路，不能如期和霍去病部会合，这使霍去病陷入孤军作战的境地。他面临着两个可供选择的方案：一是引兵返回，空耗军资；二是继续前进，那要冒生死风险。此时此刻，霍去病想到的是扫除匈奴，保家卫国，即使粉身碎骨，也在所不惜。因此，他毅然选择了后一个方案，率领己部万名骑兵，实行大迂回，挺进祁连山。骑兵从灵武（今宁夏灵武西南）渡过黄河，长途跋涉，穿越浩瀚的腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠，插向西北，直抵居延海（今甘肃喀顺诺尔湖）畔。接着，从那里沿弱水（今甘肃弱水、黑河）逆流往南，转向西，再向东南，到达祁连山麓匈奴休屠王和昆邪王大本营的侧翼。霍去病的这次迂回，等于画了一个硕大的半圆，抄到了匈奴军的屁股后面。霍去病会集部将，进行战争动员，随后一声令下，骁勇的汉军犹如神兵天降，以迅雷不及掩耳之势，突入匈奴军营，大砍大杀。匈奴军惊慌失措，不明白汉军从何而来，有的逃跑，有的投降，许多人尚未反应过来，便成了刀下之鬼。这是一场短兵相接的战斗，残酷而惨烈。结果，汉军杀死匈奴军三万余人，俘虏七千余人，杀死匈奴遫濮王，俘虏匈奴单桓王、酋涂王、稽沮王、呼于耆王，以及单于阏氏、番王、王母、王子六十四人，相国、将军、当户、都尉六十三人。霍去病的骑兵，也有两千多人命丧战场。