向西，汉武帝派张骞出使西域，汉王朝第一次与今天中国新疆和中亚地区的各小国建立起直接的官方联系。自公元前109年开始，西汉的军队就不断出入西域各地。公元前101年，汉武帝在轮台、渠犁驻兵屯田，设立“使者校尉”管理屯田事宜，这是西汉在西域设置的最早的地方官。至公元前60年，西汉在乌垒城（今新疆轮台东北）设立西域都护府，任命郑吉为首任西域都护，天山南北各地全部被纳入中国的版图。

向西南，汉武帝经营西南夷，共设立了七个郡，并封夜郎和滇人的首领为王。所谓西南夷，是对分布在今云南、贵州、四川西南地区各少数民族的总称。这里虽然在秦代就已经被纳入郡县体制之内，但中央对当地的管理还是非常薄弱的。即使是在汉武帝以后，中央对这一带的统治力度仍旧弱于中原地区的郡县，云贵高原崎岖不平、交通不便，应该是比较重要的原因。

向北，汉武帝时期，西汉与北方匈奴人建立的草原帝国展开三次大规模战争，匈奴最终战败，汉王朝的边界北拓。

大体来说，汉武帝时期，汉王朝的疆域扩大了几乎一倍。但是，汉武帝发动的一系列战争，也耗尽了帝国的国力，出现了诸种社会问题，以至武帝自己晚年下罪己诏，对其外拓政策至少作了名义上的检讨。

汉武帝以后，西汉王朝陷入缓慢的衰退之中。王莽篡夺西汉政权、建立新朝以后，进行了一系列改革，却也未能挽回这一衰退的大潮，这既是客观形势使然，也与王莽是一个复古的理想主义者有关，他的改革往往是倾向于历史而不是解决现实的问题。王莽统治不久，就出现了绿林赤眉起义，这实际上是汉武帝以后社会衰退的最终结果，是长期矛盾的一个总爆发，只不过王莽代西汉的统治者承担其恶果而已。

王莽建立的新朝存在时间虽然只有十几年，却完整地演绎了此后在中国历史上多次再现的王朝末年崩溃模式。长期累积起来的诸种社会问题，最先使社会的最底层也就是农民面临生存危机，政府的改革往往只能暂时起到缓解危机的作用，却不能从根本上解决问题。最终，饥荒、失去土地，使农民成为流民，最后演变为农民起义。在农民起义的冲击下，中央政府实力大为削弱，而在镇压起义的过程中，地方军阀的势力却大为增长，在起义最终被镇压下去之后，割据各地的军阀之间就拉开了新一轮战争的序幕，直到最终，他们中的某一位胜出，成为统治者，建立新王朝。

在镇压绿林赤眉起义之后的角逐中，最终胜出的是西汉宗室刘秀，汉王朝幸运地得以复兴，而在此后中国历史上的类似循环中，却不再有哪个王朝有如此好运。