匈奴幅员辽阔，控制了中国西北部、北部和东北部的广大地区。当时既同汉朝又与匈奴接壤的较大区域就是西域。汉武帝前期，汉朝与西域诸国均未建交，而西域一些国家已被匈奴击败。匈奴在西域很早就建立势力，设有西域僮仆都尉。匈奴使节到西域，一切费用，都由所在王国供应。为了建立反匈联盟，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，大大加强了和当地各民族的关系。其后，汉武帝又通过和亲，加强了和西域大国乌孙的联盟。但楼兰王国（新疆若羌一带）和姑师王国（新疆吐鲁番、乌鲁木齐一带），在匈奴指使下，派出联合巡逻部队，截杀汉朝使节，以切断汉朝与西域的交通线，阻塞了丝绸之路。汉朝的反应十分激烈，公元前108年，汉武帝派大将赵破奴率骑兵700人，突袭楼兰，杀了楼兰王。同时派兵攻破西域通道上姑师，控制了重要咽喉地带。公元前103年和公元前102，汉武帝两度派大将李广利西征大宛，发起汗血宝马战役，威迫大宛杀死国王毋寡，重立亲汉的贵族为王。通过一系列的军事外交，威震了西域诸国，使许多国家臣服，与汉朝接成反匈奴联盟。
历时32年的汉武帝反击匈奴战争，是汉民族对北方游牧民族发起的维护丝绸之路通畅的自卫还击战争。该战争从根本上摧毁了匈奴赖以发动骚扰战争的军事实力，使匈奴再也无力对汉王朝构成巨大的军事威胁。战争中，匈奴被歼人数累计高达15万之多，无力再与汉室相抗衡。匈奴失去水草丰盛、气候温和的河南、阴山和河西两大基地，远涉漠北苦寒之地，人畜锐减，开始走向衰落。战争为匈奴的分裂、南匈奴彻底臣服于汉王朝、北匈奴最终被迫西迁欧洲奠定了基础。
汉武帝反击匈奴战争始于武帝元光六年（公元前129年），以取得漠北决战胜利为标志，划分为前后两个阶段，以第一阶段为主体。这一时期，汉军对匈奴实施三次重大反击战役，并取得决定性胜利，从根本上解决了匈奴南下骚扰问题。这三大反击战役，分别是河南、漠南之战，河西之战和漠北决战。
1.河南、漠南之战。武帝元朔二年（公元前127年），匈奴骑兵进犯上谷（今河北怀来东南）、渔阳（今北京密云西南）等地。汉武帝派遣年轻将领卫青率大军进攻匈奴所盘踞的河南地。卫青引兵北上，出云中，沿黄河西进，对占据河套及其以南地区的匈奴楼烦王、白羊王所部进行突然袭击，全部收复了河南地。汉武帝移内地民众十多万在该地区屯田戍边。抽掉了匈奴进犯中原的跳板，解除了对长安的威胁，为汉军建立了一个战略进攻基地。匈奴不甘心失去河南，数次出兵袭扰，企图夺回河南地区。汉武帝于元朔五年（公元前124年），派遣卫青率军进入漠南，反击匈奴右贤王；李息等出兵右北平（今内蒙古宁城西南），牵制单于、左贤王，策应卫青主力行动。卫青出塞五六百里，长途奔袭，突袭睡梦中的右贤王，打得其仅带数百人北逃。汉军俘敌1万多人，凯旋回师。这一仗的胜利，进一步巩固了河南要地，彻底消除了匈奴对长安的直接威胁，并将匈奴左右两部切断。次年二月和四月，卫青两度率骑兵出定襄（今内蒙古和林格尔西北），前后歼灭匈奴军队一万多人，迫使匈奴主力退却漠北一带。
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，向河西走廊的匈奴人发起进攻。他采取突袭战法，长驱直入，短短6天连破匈奴五王国。接着翻越大黄山千余里，与匈奴大军在皋兰山遭遇。汉军歼敌近9000人，斩杀匈奴名王数人，俘虏浑邪王子及相国、都尉多人，凯旋而还。同年夏天，汉武帝派霍去病率精骑数万出北地郡；张骞、李广等出右北平，攻打左贤王，策应霍去病主力。霍去病绕道河西走廊北边，迂回纵深达2000多里，从敌后，由西北向东南突袭，大破匈奴各部，在弱水河流域与河西匈奴主力展开决战，杀敌3万余人、俘获匈奴名王5人及王母、王子、相国、将军等百余人，收降匈奴浑邪王部众4万，全部占领河西走廊。汉武帝在那里设置武威、酒泉、张掖、敦煌四郡，移民屯田戍边。河西之战打通了通往西域的道路，实现了“断匈奴右臂”的战略目标。
3.漠北决战。匈奴不甘心失败，仍继续从事南下袭扰的活动，并采纳汉降将赵信的建议，准备引诱汉军主力至沙漠以北地区，寻机加以歼灭。元狩四年（公元前119年），汉武帝经过充分准备后，集中了精锐骑兵10万人，组成两个大的战役集团，分别由卫青和霍去病统率；另以步兵几十万、马匹十余万配合两大主力行动。匈奴将部众、牲口、辎重转移到更远的北方，“以精兵待于漠北”。卫青将计就计，率主力直扑单于所在，横渡大沙漠，北进1000里，寻歼单于主力。同时命李广、赵食其率部从东面迂回策应。不久，卫青主力遭遇严阵以待的单于主力。匈奴派出一万骑兵对卫青军团发起冲击，卫青下令先用武刚车环绕己方军阵，组成防御阵形，使用弓弩射杀敌人，掩护主力待机，另以五千骑兵迎敌，待匈奴骑兵进攻受挫后，指挥主力骑兵向单于军发起冲击，单于即投入所有部队迎战，双方形成胶着。从中午大战至黄昏，双方伤亡均极其惨重。忽然大风骤起，视线不良。关键时刻，卫青将唯一的预备队――轻装骑兵，借风沙的掩护从两翼向单于所在地实施包围。单于见突入的汉军骑兵人数多、战斗力强，担心后路被切断，再呆下去对自己不利，仅带数百精锐向北突围。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），仍不见敌踪。是役一举歼灭匈奴骑兵19000人，挺进到赵信城，城中积粟除补充汉军之外，连同该城一同烧毁。在另一个方向，霍去病率军北进2000多里，渡过沙漠，一直进军到西伯利亚贝加尔湖，与匈奴左贤王遭遇。经过决战，歼灭了左贤王精锐部队，俘获屯头王、韩王以下70400人。漠北决战共歼匈奴精锐9万余人，严重削弱匈奴的实力，使其从此无力大举南下，汉武帝反击匈奴战争取得了决定性胜利。