後元二年（前87）二月，武帝在其一生最後一次巡視，在巡行到位於長安城西南百餘裏的五柞宮（今陝西周至東）時一病不起，預感到死神即將降臨。二月乙醜日，武帝對環侍在周圍的群臣作出一生中最後一次重要的決策：詔立劉弗陵為皇太子，任命奉車都尉、光祿大夫霍光為大司馬大將軍，與車騎將軍金日磾、左將軍上官桀、禦史大夫桑弘羊等共受遺詔輔佐少主。遵照武帝生前的囑托，皇太子劉弗陵即位為帝，成為西漢王朝曆史上第六位皇帝，即漢昭帝。
在武帝長達54年統治期間，是西漢曆史上最為輝煌的一頁。景帝後元三年（前141）三月，父親景帝去世，16歲的少年劉徹登上皇帝的寶座，次年改元建元，在中國曆史上首次立創年號，從此開始了長達半個多世紀的統治。此時，呈現在這位英姿勃發的少年皇帝麵前的，早已不是那個經過長期戰亂之後，民生凋敝、百業蕭條、經濟窘迫的社會，而是一個生機勃勃的大帝國。特別是景帝初年吳楚七國之亂的平定，對中央政權威脅最大的同姓諸王勢力大為削弱，中央集權得到前所未有地加強，皇帝政令通行無阻，朝野臣民翕然從命，為武帝施展雄圖大略奠定了堅實的基礎。
武帝即位之始，即試圖改變漢廷已經實行多年的“無為政治”。建元六年（前135），竇太後去世，標誌著漢初已經實行多年的黃老政治壽終正寢。從此之後，武帝改正朔、易服色、定曆數、修郊祀、建封禪，開始了一個以“有為政治”取代“無為政治”的曆史時代。元光元年（前134），武帝召集各地賢良、儒生至京師，親自策問，采納董仲舒“諸不在六藝之科孔子之術者，皆絕其道，勿使並進”的建議，推崇儒學。設《五經》博士，在長安興太學，郡國建學校，廣舉賢才，用人不拘一格。為了繼續強化中央集權，元朔二年（前127），武帝采納主父偃的意見，下詔實行“推恩令”，使諸侯王得以析分封邑封子弟為侯，致使王國中不斷分出眾多由郡統轄的小侯國。武帝在平定淮南王劉安、衡山劉賜謀反事件後，又製定“左官律”與“附益法”，貶斥諸侯王國官吏地位，嚴禁朝臣與諸侯王交通。自此，“諸侯惟得衣食稅租，不與政事”。諸侯王與列侯的勢力日益衰落，再也無法對皇權構成威脅。
為了強化中央對地方的控製，武帝於元封五年（前106）設置十三州刺史部，將全國除京畿七郡（三輔、三河、弘農）以外的地區分為十三個州，命刺史於每年八月巡行境內，考察吏治，檢舉豪右，彈糾不法。其後，又於京畿七郡設置職能相似的司隸校尉，在全國建立起一個龐大而又頗有成效的監察係統。同時，武帝又重用一些酷吏，殘酷打擊各地的豪強勢力，以維護帝國的統治秩序。為了便於集權與削弱相權，元朔五年（前124），武帝擢升通曉儒術、善察人主旨意的布衣公孫弘為丞相，封列侯，結束了漢初以來一直由功臣、列侯或其後裔壟斷相位、相權頗重的局麵。武帝又引用左右近臣與親信構成中朝，對重要政事在宮廷之內作出決斷，支配以丞相、禦史大夫為首的外朝，形成了中朝決策，外朝奉命行事的中外朝的政治格局。
在武帝銳意進行政治、文化改製的同時，大規模的軍事征伐、開疆拓土的活動也隨之展開。元光二年，武帝在馬邑（今山西朔縣）設伏誘擊匈奴軍臣單於，一改漢初實行多年的與匈奴和親政策，從而對長期活躍於北境，對中原威脅最大的匈奴展開了聲勢浩大的軍事行動，名將衛青、霍去病等數次率領大軍遠涉大漠，追擊匈奴主力，迫使匈奴放棄漠南，遠走漠北，再也無力對北部邊境進行大規模的騷擾，但是漢廷也付出了“海內虛耗，戶口減半”的慘痛代價。在與匈奴激戰之際，武帝又廣開三邊，東征朝鮮，南擊兩越，西伐羌人，或是利用其內部矛盾分化瓦解，或是派遣大軍強行征服，設立郡縣，置於朝廷的直接管轄之下。經過武帝時期的多年經營，形成一個北極大漠，南逾五嶺，東瀕滄海，西至中亞一個強盛的帝國。除了戰爭之外，武帝還廣修宮殿，大置苑囿，四外巡遊，尋仙覓藥，封禪祭禮，揮霍了無數的財富，給大漢帝國帶來嚴重的經濟問題。為了彌補日益空虛的國庫，武帝重用精通聚財之術的桑弘羊等人，采取更改幣製、算緡告緡、鹽鐵官營等各種新財政措施來擴充政府的收入，雖然號稱“民不益賦而天下用饒”，但最終所有沉重的負擔隻能轉嫁到百姓身上。
到武帝統治晚期，百姓大量破產流亡，農民暴動的現象日趨嚴重。作為一位老練的政治家，武帝不是沒有察覺問題的嚴重性，而是把改弦易轍的希望寄托在性格寬厚仁恕的衛太子的身上。但是征和二年（前91），巫蠱之禍突然爆發，衛太子兵敗後自縊身亡，徹底打亂了武帝的部署。儲君之位空懸，社會動蕩不寧，武帝追悔往事，決心親自實行變革。征和四年，武帝頒布著名的“輪台詔”，宣布自今以後不再對外用兵，嚴禁苛政擾民，禁止擅征徭役，推崇本農。
武帝去世後，昭帝即位。霍光以大司馬大將軍領尚書事決斷政務，元始二年（前85）封為博陸侯，其長女與上官桀之子上官安結為婚姻，外孫女又立為昭帝皇後，地位愈加顯赫。依漢代製度，大司馬最初是加於功績卓著的將軍前的一種官號，地位本在丞相之下，但由於武帝遺命，霍光以大司馬大將軍的身份輔政，開啟以大司馬秉政之先河；而當時的丞相車千秋，雖然職在“掌丞天子，助理萬機”，但因“無他材能術學，又無伐閱功勞”，僅由於上書為衛太子訟冤而感悅武帝，旬月由郎官拜相封侯，盡管也同與霍光等共受遺命輔佐少主，但自知在朝廷中根基甚淺，所以每次公卿朝會，“終不肯有所言”，唯霍光之命是從，以致形成“政事壹決於大將軍光”的局麵。
霍光沒有辜負武帝臨終前的重托，精心輔佐年幼的昭帝，忠實地執行武帝晚年製定的“與民休息”的政策。霍光以昭帝的名義，屢次發布頒令，削減國家的財政支出，出皇家苑囿養馬以備邊郡及三輔傳馬之需，減免百姓的田租、口賦、更賦及馬口錢，開倉廩賑濟災民，罷中牟苑賦予貧民，借貸種子食糧，以鼓勵農耕生產。派遣使者巡視郡國，查問民間疾苦冤情。與此同時，與匈奴的關係也出現了逐步緩和的趨勢。漢廷遣使表達與匈奴重新恢複和親的願望，匈奴也送還被扣留多年的漢使蘇武等人以通善意，漢匈關係由長期的戰爭狀態開始向相對緩和的局勢轉化。這些政策的實施，對於穩定自武帝末年以來動蕩不安的社會局勢，恢複和發展凋敝的社會經濟起到了重要的作用，也為宣帝時代漢室中興奠定了基礎。