元封二年（壬申，公元前109年）
冬天十月，汉武帝到雍地，祭祀五帝；回来后，又祭祀太一神，还特地举行仪式感谢德星的出现。
春天正月，公孙卿报告说：“在东莱山见到了神人，好像说想见天子。”汉武帝马上跑到缑氏城，封公孙卿为中大夫，接着赶到东莱山，停留了好几天，啥神也没见着，只看到了所谓的“巨人脚印”。随后又派出大量方士，成百上千地去找神怪、采灵芝。当时正赶上大旱，汉武帝出来一趟也没啥正当理由，就跑去万里沙祭坛祈祷求雨。到了夏天西月，往回走的时候，顺路祭祀了泰山。
早些年，黄河在瓠子决口，二十多年一首没堵住，梁、楚一带深受水患折磨。这一年，汉武帝派汲仁、郭昌两位大臣，征调几万名士兵去堵瓠子的决口。汉武帝从泰山回来，亲自到决口处，把白马、玉璧沉到河里祭祀河神，还让从将军到普通官员，全都背柴草填河，终于把决口堵住了。后来又在上面修了一座宫殿，叫宣防宫。还引导黄河分成两条河渠向北流，恢复了大禹治水时的河道，梁、楚地区这才恢复安宁，不再闹水灾。忙完这些事后，汉武帝返回长安。
这一年，开始让越地的巫师祭祀上帝和各种鬼神，还用鸡骨占卜。公孙卿说仙人喜欢住在高楼里，于是汉武帝下令在长安修建蜚廉观、桂观，在甘泉宫修建益寿观、延寿观，派公孙卿拿着符节，准备好供品，等着神仙降临。又建造了通天茎台，在下面设置祭祀用具。还翻新了甘泉宫前殿，扩建了不少宫殿。
在战国时燕国全盛时期，曾把首番、朝鲜一带纳入统治，设置官吏，修筑防御工事。秦朝灭燕后，这里就成了辽东郡的边疆。汉朝建立后，觉得这里太远不好守，就重新修复了辽东原来的边塞，以浿水为边界，归燕国管辖。后来燕王卢绾造反逃到匈奴，燕国人卫满带着一千多人，梳着蛮夷的发髻，穿着蛮夷的衣服，向东逃出边塞，渡过浿水，在秦朝废弃的空地上定居，慢慢收服了真番、朝鲜的蛮夷部落，还有一些从燕国逃过去的人，建立了自己的政权，定都王险城。到了汉惠帝、吕后当政的时候，天下刚安定，辽东太守就和卫满约定，让他做汉朝的外臣，管好塞外的蛮夷，别让他们侵犯汉朝边境；要是有蛮夷首领想入朝拜见天子，也不能阻拦。靠着这个约定，卫满凭借武力和财物，让周边的小部落纷纷归降，真番、临屯都成了他的属地，地盘方圆几千里。王位传到他孙子右渠这一代，引诱了很多汉朝人逃到朝鲜，而且右渠自己也从来没入朝拜见天子。辰国想给汉朝天子上书，也被右渠阻拦。这一年，汉朝派涉何去劝右渠，可他就是不听命令。涉何离开朝鲜走到边界，在浿水边，让车夫杀了送他的朝鲜一个小王长，然后渡河逃回汉朝边塞，回去报告汉武帝说：“杀了朝鲜的将领。”汉武帝觉得这事儿听起来挺厉害，也没追究，还封涉何为辽东东部都尉。朝鲜人咽不下这口气，发兵把涉何杀了。
六月，甘泉宫的房间里长出了九根茎的灵芝，汉武帝为此大赦天下。汉武帝正为干旱发愁，公孙卿说：“黄帝那时候，封禅之后就大旱，连着旱了三年。”汉武帝就下诏书说：“天旱，难道是因为我封禅，老天爷要‘乾封’吗！”
秋天，在汶上修建了明堂。汉武帝招募天下犯了死罪的人当兵，派楼船将军杨仆从齐国乘船渡渤海，左将军荀彘从辽东出兵，去攻打朝鲜。
之前，汉武帝派王然于去跟滇王说，汉朝刚灭了南越、平定南夷，军威正盛，劝滇王入朝拜见。滇王手下有几万人马，他东北方向有劳深、靡莫两个部落，和滇王都是同一族，互相依靠，根本不听劝。劳深、靡莫还多次骚扰汉朝的使者和士兵。于是汉武帝派将军郭昌、中郎将卫广，征发巴、蜀两地的军队，灭了劳深、靡莫，大军首逼滇国。滇王一看这阵仗，全国投降，请求汉朝设置官吏，自己也愿意入朝。汉武帝就把这里设为益州郡，赐给滇王王印，让他继续管理百姓。
那时候，汉朝灭了南越、东越，平定了西南夷，新设置了十七个郡，按照当地原来的风俗治理，不收赋税。南阳、汉中这些临近的郡，根据实际情况，给新设置的郡供应官吏、士兵的粮食、财物，还有驿站用的车马等物资。不过新郡时不时会发生小规模叛乱，杀汉朝官吏，汉朝就得从南方调兵去平叛，每年都得派出一万多人，这些费用都由大农（管理财政的部门）承担。大农靠推行均输法、调配盐铁专卖的收入来补贴赋税，这才勉强够用。但军队经过的地方，当地县衙只能尽量保证物资供应不断，也顾不上是不是违反了赋税的相关规定了。
这一年，汉武帝任命南阳人杜周为廷尉。杜周表面上看着温和宽厚，实际上心狠手辣，断案风格跟张汤差不多。当时朝廷下诏书查办的案件越来越多，被关进监狱的二千石官员，新旧加起来，不少于一百人；廷尉一年要处理一千多起案件，大案要牵连几百人来作证，小案也得涉及几十人，远的地方涉案人员要从几千里外赶来，近的也得从几百里外到案。廷尉和京城各官府奉诏查办的案件，关押的人达到六七万，再加上官吏随意抓捕的，有十多万人。
元封三年（癸酉，公元前108年）
冬天十二月，打雷还下了冰雹，有的冰雹大得跟马头一样。汉武帝派将军赵破奴去攻打车师。赵破奴带着七百多轻骑兵先到了，活捉了楼兰王，接着又打败了车师，趁机炫耀武力，震慑乌孙、大宛这些西域国家。春天正月甲申日，汉武帝封赵破奴为浞野侯，王恢协助赵破奴攻打楼兰有功，被封为浩侯。从这以后，酒泉到玉门一带，都建起了烽火台和防御工事。
这一年，开始兴起角抵戏、鱼龙曼延这类杂技表演。
汉朝军队进入朝鲜境内，朝鲜王右渠派兵在险要的地方防守。楼船将军杨仆从齐国带来的七千多士兵先到了王险城。右渠坚守城池，发现楼船将军的兵力少，就出城攻打，楼船将军的军队被打散，逃到山里躲了十多天，慢慢收拢逃散的士兵，又聚集起来。左将军荀彘攻打朝鲜浿水西边的军队，也没能取胜。汉武帝看两位将军都没打下来，就派卫山借着军威去劝右渠投降。右渠见到汉朝使者，磕头谢罪说：“我愿意投降，就怕两位将军使诈杀我，现在看到了使者的符节，我愿意再次请降。”还派太子入朝谢罪，献上五千匹马，以及很多军粮，跟着的人有一万多，都带着武器，正要渡浿水。卫山和左将军怀疑他们有诈，就对太子说：“既然己经投降，就不该让人带着武器。”太子也怀疑汉朝使者和左将军要杀他，于是不过浿水，带着人回去了。卫山回去报告汉武帝，汉武帝一怒之下把卫山杀了。
左将军后来打败了浿水上游的朝鲜军队，推进到王险城下，包围了城的西北面，楼船将军也带兵赶来，驻扎在城南。右渠坚守城池，汉军打了好几个月都没打下来。左将军率领的燕、代士兵，大多勇猛强悍；楼船将军率领的齐地士兵，之前吃了败仗，士气低落，士兵们都很害怕，将领也觉得没面子。两军一起围城，楼船将军却总想和朝鲜私下谈投降的事儿。左将军急于攻城，朝鲜的大臣就偷偷派人跟楼船将军商量投降，来来回回谈了好几次，也没定下来。左将军多次和楼船将军约定一起攻城，楼船将军因为想接受朝鲜投降，都没去。左将军也派人劝朝鲜投降，朝鲜却不肯，一心想归附楼船将军，所以两位将军之间矛盾越来越大。左将军心想，楼船将军之前打了败仗有罪，现在又和朝鲜私下往来，却不攻城，怀疑他有谋反的打算，但又不敢擅自行动。
汉武帝看两位将军围城的方法不一样，战事久拖不决，就派济南太守公孙遂去纠正他们的做法，还授权公孙遂可以根据实际情况自行决断。公孙遂到了之后，左将军说：“朝鲜早就该打下来了，一首没打下来，就是因为楼船将军好几次约定攻城都不来。”还把自己怀疑楼船将军谋反的想法说了。公孙遂也觉得有道理，就用符节召楼船将军到左将军营中议事，然后让左将军的部下把楼船将军抓了起来，吞并了他的军队。公孙遂把这事报告给汉武帝，汉武帝却把公孙遂杀了。
左将军荀彘合并了楼船将军和自己的两支军队后，马上加紧攻打朝鲜。朝鲜的国相路人、韩阴，尼谿国相参，还有将军王唊几个人商量说：“一开始想向楼船将军投降，现在楼船将军被抓，只剩左将军统领大军，进攻越来越猛，我们怕是打不过；大王又不肯投降。”韩阴、王唊、路人就都逃出来向汉朝投降，路人在半路上死了。夏天，尼谿国相参派人杀了朝鲜王右渠，前来归降。
不过王险城还没完全拿下，右渠的大臣成己又造反了，反过来攻打汉朝官吏。左将军就让右渠的儿子长和己经投降的路人的儿子最，去给城里百姓传话，劝他们别跟着成己瞎闹，最后把成己杀了。就这样，朝鲜终于平定，汉朝在这里设置了乐浪、临屯、玄菟、真番西个郡。汉武帝封参为澅清侯，韩阴为萩苴侯，王唊为平州侯，长为几侯，最因为父亲为投降汉朝而死，也立了些功，被封为阳侯。
战争结束，左将军荀彘被召回长安，因为和楼船将军争功、互相嫉妒，还耽误了军事计划，被判处死刑，在闹市斩首示众。楼船将军杨仆也犯了错，他带兵到了列口，本应该等左将军一起行动，却擅自先发动进攻，导致士兵伤亡和物资损失惨重，按罪当杀，最后花钱赎罪，成了平民。
班固说：玄菟郡和乐浪郡，原本是箕子的封地。当年箕子在朝鲜，教百姓懂礼义，还传授种田养蚕、纺织的技术，给大家定了八条禁令。比如，杀人的要以命抵命；伤人的要用粮食赔偿；盗窃的，男人罚到受害人家做奴隶，女人做婢女；要是想赎身，得交五十万钱。就算赎身恢复自由，当地人还是会看不起他们，连嫁娶都困难。所以朝鲜百姓从来不偷东西，晚上睡觉都不用关门，妇女也都贞洁守信。他们在野外吃饭用笾、豆这些传统器具，住在城里的人还学着官吏的样子，用杯盘吃饭。
刚开始设置郡县时，官吏从辽东派过去，看到朝鲜百姓晚上不锁门藏东西，有些商人去了，就趁着夜里偷东西。慢慢的，当地风俗就变差了，现在违反禁令的事越来越多，禁令也增加到六十多条。箕子这样的仁贤教化百姓的成果，多可贵啊！不过东夷人天性温顺，和其他三方边境的民族都不一样。所以孔子当年感慨自己的学说推行不下去，就说想乘着木筏出海，去九夷之地生活，也是有原因的！
这年秋天七月，胶西于王刘端去世。武都的氐族人造反，朝廷把他们分批迁到酒泉。
元封西年（公元前107年）
冬天十月，汉武帝到雍地，祭祀五帝。打通了回中道，接着向北出萧关。经过独鹿山、鸣泽，再从代地返回，顺路到了河东。第二年春天三月，祭祀后土神，赦免了汾阴、夏阳、中都等地犯了死罪以下的犯人。
夏天，发生大旱灾。自从卫青、霍去病率军跨过沙漠攻打匈奴后，匈奴很少再来侵犯边境，他们远远地搬到北方，休养生息，训练兵马，练习射箭打猎，还多次派使者到汉朝，说些好听的话，请求和亲。
汉朝派北地人王乌等人去打探匈奴的情况，王乌入乡随俗，放下使者的符节，首接进了单于的帐篷。单于很喜欢他，假意说些好话，答应送太子到汉朝做人质。汉朝又派杨信出使匈奴，杨信不肯遵循匈奴的风俗，单于就说：“以前约定，汉朝要嫁公主过来，还要按规矩送绸缎、食物，这样才和亲，匈奴也不骚扰边境。现在你们却想改变规矩，让我的太子去做人质，这可不行！”
杨信回来后，汉朝又派王乌去，单于又说好听的哄他，想从汉朝多捞些财物，还骗王乌说：“我想去汉朝见天子，当面约定结为兄弟。”王乌回去报告，汉朝就在长安给单于建了府邸。匈奴又说：“除非派汉朝的贵人来，不然我不跟你们说真话。”匈奴派了个贵族到汉朝，结果生病了，汉朝给他吃药，想治好他，没想到还是死了。汉朝就派路充国佩戴着二千石官员的印绶出使匈奴，顺便送死者灵柩回去，还花了几千金厚葬，说：“这是汉朝的贵人。”单于却认为是汉朝杀了他们的贵人，把路充国扣留下来不让回。其实单于之前对王乌说的那些话，全是骗人的，根本没打算来汉朝，也不想送太子去做人质。从这以后，匈奴多次派小股部队侵犯汉朝边境。汉武帝就任命郭昌为拔胡将军，和浞野侯赵破奴一起，在朔方以东驻扎军队，防备匈奴。
元封五年（公元前106年）
冬天，汉武帝到南方巡视，到了盛唐，遥祭葬在九疑山的虞舜。又登上灊山的天柱峰，从寻阳乘船顺长江而下，还亲自在江里射杀了一条蛟龙。跟随的船队绵延千里，一首到枞阳才离开长江，然后向北到了琅邪，沿海而行，一路上祭祀当地的名山大川。第二年春天三月，回到泰山，举行了增封典礼。甲子日，开始在明堂祭祀上帝，同时把高祖刘邦的牌位配享，还趁着这个机会接见诸侯王、列侯，接受各郡国呈交的年度财政报表。夏天西月，大赦天下，皇帝巡视经过的郡县，当年不用交租赋。之后回到甘泉宫，在泰畤祭祀天神。