匈奴幅员辽阔，控制着中国西北部、北部和东北部的广阔地区。西域是汉朝与匈奴接壤的较大地区。汉武帝早期，汉朝和西域都没有建交，而西域的一些国家已经被匈奴击败。匈奴很早就在西域建立了势力，有西域的仆人都尉。匈奴使节到西域，所有费用都由王国提供。为建立反匈联盟，至少使西域不加入匈奴反汉联盟，汉武帝先派张骞两次出使西域，大大加强了与当地各民族的关系。后来，汉武帝通过和亲加强了与西域大国乌孙的联盟。然而，在匈奴的指挥下，楼兰王国（新疆若羌地区）和阿姨王国（新疆吐鲁番和乌鲁木齐地区）派出联合巡逻部队拦截汉代使节，切断汉西交通线，堵塞丝绸之路。公元前108年，汉武帝派将军赵破奴率骑兵700人，突袭楼兰，杀死楼兰王。与此同时，派兵攻破西域通道上的姑师，控制重要咽喉区。公元前103年和公元前102年，汉武帝两次派将军李广利西征大宛，发动汗流浃背的宝马战役，威胁大宛杀死国王，重立亲汉的贵族为王。通过一系列军事外交，震惊了西域国家，使许多国家臣服，与汉朝接成反匈奴联盟。
汉武帝反击匈奴战争持续了32年，是汉族对维护丝绸之路畅通的北方游牧民族发起的自卫反击战争。这场战争从根本上摧毁了匈奴发动骚扰战争的军事力量，使匈奴再也无法对汉朝构成巨大的军事威胁。匈奴在战争中被歼灭的人数高达15万，无法再与汉朝竞争。匈奴失去了河南、阴山、河西两大基地，水草丰富，气候温和。它远离漠北的苦寒，人畜锐减，开始衰落。战争为匈奴的分裂奠定了基础，南匈奴完全屈服于汉朝，北匈奴最终被迫西迁欧洲。
汉武帝对匈奴的反击始于元光六年（公元前129年）。以漠北决战胜利为标志，分为前后两个阶段，以第一阶段为主体。在此期间，汉军对匈奴进行了三次重大反击，并取得了决定性的胜利，从根本上解决了匈奴南下骚扰的问题。这三次反击是河南、漠南、河西和漠北的决战。
1.河南、漠南之战。武帝元朔二年(公元前127年)，匈奴骑兵入侵上谷(今河北怀来东南)、渔阳(今北京密云西南)等地。汉武帝派年轻将领卫青带领军队进攻匈奴占领的河南地。卫青带兵北上，出云，沿黄河西进，突然袭击占据河套及以南地区的匈奴楼烦王、白羊王所部，全部收复河南。汉武帝移内地十多万人在该地区屯田守边。匈奴进攻中原的跳板被移除，对长安的威胁被解除，为汉军建立了战略进攻基地。匈奴不愿意失去河南，多次出兵袭击，试图夺回河南。元朔五年(公元前124年)，汉武帝派卫青率军进入漠南，反击匈奴右贤王；李息等人出兵右北平(今内蒙古宁城西南)，牵制单于左贤王，应卫青主力行动。卫青出塞五六百里，长途奔袭，突袭睡梦中的右贤王，打得只带数百人北逃。汉军俘敌1万多人，凯旋回师。这场战争的胜利进一步巩固了河南的要地，彻底消除了匈奴对长安的直接威胁，切断了匈奴的左右两部分。次年2月和4月，卫青率领骑兵出定襄(今内蒙古和林格尔西北)，前后歼灭匈奴1万多人，迫使匈奴主力撤退漠北。
2.河西之战。元狩二年(公元前121年)三月，霍去病率精锐骑兵1万人出陇西，攻击河西走廊匈奴人。他采取突袭战术，长驱直入，短短6天就连破匈奴五王国。然后翻越大黄山千里，与匈奴大军在皋兰山相遇。汉军歼敌近9000人，斩杀匈奴名王数人，俘虏浑邪王子、相国、都尉多人，凯旋而归。同年夏天，汉武帝派霍去病率精骑数万出北地郡；张骞、李光等出右北平，攻打左贤王，策应霍去病主力。霍去病绕道河西走廊北侧，绕道2000多里，从敌人后面，从西北到东南，打破匈奴部门，在弱水河流域和河西匈奴主力，杀敌3万多人，俘获匈奴国王5人和王母、王子、相国、将军100多人，降低匈奴邪恶国王4万，全部占领河西走廊。在那里，汉武帝设立了武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，移民屯田守边。河西之战开辟了通往西域的道路，实现了“断匈奴右臂”的战略目标。
三、漠北决战。匈奴不愿意失败，继续从事南下袭击活动，并采纳了汉降将赵信的建议，准备引诱汉军主力到沙漠以北，寻找机会歼灭。元狩四年(公元前119年)，经过充分准备，汉武帝集中精锐骑兵10万人，组成卫青和霍去病率领的两大战役集团；此外，还有几十万步兵和十几万马匹配合两大主力行动。匈奴将部众、动物、行李转移到更远的北方，“以精兵留在漠北”。卫青将计就计，率主力直扑单位，横渡大沙漠，北进1000英里，寻歼单位于主力。与此同时，命李广、赵食其率部从东方迂回应对。不久，卫青主力遭遇了单于主力的严阵以待。匈奴派出10000名骑兵对卫青军团发起冲击。卫青下令先用武刚车包围军队阵型，形成防御阵型，用弩射杀敌人，掩护主力待机。此外，5000名骑兵迎接敌人。匈奴骑兵进攻受挫后，指挥主力骑兵对军队发起冲击，并投入所有部队进行战斗，双方形成胶水。从中午战争到黄昏，双方伤亡极其严重。突然，大风骤起，视力不好。在关键时刻，卫青将是唯一的预备队――轻装骑兵，在风沙的掩护下，从两翼到单在所在地进行包围。汉军骑兵人数多，战斗力强，担心后路被切断，再留下来对自己不利，只带着数百精锐向北突破。卫青派专门负责追击的轻装骑兵连夜追击到寅颜山的赵信城(蒙古哈尔和林西南)，但仍未见敌踪。一举歼灭匈奴骑兵1.9万人，挺进赵信城，城中积粟除补充汉军外，还与该城一起烧毁。另一方面，霍去病率军北进2000多里，渡过沙漠，一直进入西伯利亚贝加尔湖，与匈奴左贤王相遇。决战结束后，左贤王精锐部队被歼灭，屯头王、韩王以下70400人被俘。漠北决战共歼灭匈奴精锐9万余人，严重削弱匈奴实力，使其无法大举南下，汉武帝反击匈奴战争取得决定性胜利。