景帝前元元年(前156年)劉徹出生，是漢景帝第十子。

景帝前元四年(前153年)四月己巳，漢景帝立庶長子、栗姬子劉榮為太子，史稱“栗太子”;同日，封劉徹為膠東王，劉徹時年四歲。

景帝前元七年(前150年)正月，漢景帝廢太子劉榮為臨江王;同年夏四月乙巳，王夫人封為皇后，七歲的膠東王劉徹以王皇后唯一的嫡子身份立為儲君。

景帝中元二年(前148年)臨江王劉榮“坐侵廟壖垣為宮”(侵占宗廟外空地擴建宮室而犯罪)入獄，不久自殺;九月，梁王劉武刺殺袁盎等十余人。

景帝后元三年(前141年)正月，漢景帝駕崩，十六歲的劉徹即位。

武帝建元元年(前140年)用趙綰、王臧開始建元新政。

武帝建元二年(前139年)由于侵犯了宗室利益，趙綰王臧下獄自殺新政挫敗，劉徹開始韜光養晦。

武帝建元三年(前138年)派遣張騫出使西域。

武帝建元四年(前137年)擴修上林苑

武帝建元六年(前135年)竇太后病死，二十二歲的劉徹正式執政。

武帝元光二年(前133年)六月，馬邑之圍未能伏擊匈奴而失利;開始與匈奴大規模交戰。

武帝元光五年(前130年)車騎將軍衛青大破龍城，取得了自漢朝開國以來對匈戰役的首次勝利，從此，進入對匈戰爭的轉折點。

武帝元朔元年(前128年)衛子夫生漢武帝長子劉據;三月，封衛子夫為皇后;武帝時年二十九歲。

武帝元朔二年(前127年)主父偃上書武帝，建議實行《推恩令》;不久正式實行;同年，衛青收復河朔之地，驅走白羊、樓煩王，筑朔方城，從此徹底解決了匈奴對長安的威脅。衛青受封長平侯。

武帝元朔三年(前126年)張騫出使西域歸來，歷時十三年。

武帝元朔五年(前124年)車騎將軍衛青擊敗匈奴右賢王，得右賢稗王十余人，畜數千百萬，天子于軍中拜其為大將軍，諸軍皆從大將軍號令。

武帝元朔六年(前123年)霍去病始戰，封冠軍侯。

漢武帝元狩二年(公元前121)驃騎將軍霍去病兩次進軍河西(今河西走廊)，打擊匈奴，收復河西走廊。

武帝元狩四年(前119年)春夏之際，大將軍衛青大戰匈奴于漠北，伊稚斜單于逃走;驃騎將軍霍去病的東路軍大敗左賢王，封狼居胥山，左賢王敗逃而去，徹底解決了匈奴之患，從此“漠南無王庭”。

武帝元狩六年(前117年)大司馬驃騎將軍霍去病薨。

武帝元鼎四年(前113年)得寶鼎于汾水上。

武帝元封元年(前110年)泰山封禪，始有年號“元封”。

武帝元封五年(前106年)大司馬大將軍衛青薨。

武帝太初元年(前104年)改正朔，易太初歷，以正月為首(原以十月為首)。

武帝天漢二年(前99年)秋，李陵戰敗于浚稽山而投降，漢武帝腐司馬遷。次年，漢武帝因誤信匈奴俘虜，認為李陵為匈奴練兵防備漢軍，遂族李陵母弟妻子。隴西士夫皆以李氏為恥。

武帝征和二年(前91年)被丞相公孫賀緝捕的通緝犯朱世安誣告賀之子公孫敬聲以巫蠱咒武帝，賀父子下獄死，諸邑公主與陽石公主、衛青長子長平侯衛伉皆坐誅。武帝命寵臣江充為使者治巫蠱，七月，太子劉據因“巫蠱案”被陷害不能自明，殺江充，被迫起兵，衛子夫在漢武帝派人收皇后綬印時自殺;八月，太子自殺，其妻妾子女皆被害，唯襁褓之中的孫子劉病已幸免，后為漢宣帝。

武帝征和二年(前90年)李廣利與劉屈氂密謀立李夫人之子劉髆為太子，后事發，劉屈氂被殺，李廣利投降匈奴。田千秋上疏，漢武帝為巫蠱之禍中被陷害致死的太子平反，夷江充三族，燒死蘇文，建“思子宮”“歸來望思之臺”以寄托哀思。

武帝征和四年(前89年)桑弘羊等人上書，建議在輪臺戍兵以備匈奴，漢武帝駁回其建議，并下詔反思，稱“當今務在禁苛暴，止擅賦，力本農。修馬政復令以補缺，毋乏武備而已”。史稱《輪臺罪己詔》

武帝后元二年(前87年)二月，漢武帝駕崩，終年七十歲，在位共五十四年，葬于茂陵，謚號孝武皇帝。遺命霍光、金日磾、上官桀輔佐幼子劉弗陵(時年八歲，后改名劉弗)即位，為漢昭帝。

漢宣帝本始二年(公元前72年)五月，漢宣帝劉詢尊武帝的廟號為世宗。