匈奴幅員遼闊，控制了中國西北部、北部和東北部的廣大地區。當時既同漢朝又與匈奴接壤的較大區域就是西域。漢武帝前期，漢朝與西域諸國均未建交，而西域一些國家已被匈奴擊敗。匈奴在西域很早就建立勢力，設有西域僮仆都尉。匈奴使節到西域，一切費用，都由所在王國供應。為了建立反匈聯盟，至少使西域不加入匈奴反漢聯盟，漢武帝先派張騫兩次出使西域，大大加強了和當地各民族的關系。其后，漢武帝又通過和親，加強了和西域大國烏孫的聯盟。但樓蘭王國（新疆若羌一帶）和姑師王國（新疆吐魯番、烏魯木齊一帶），在匈奴指使下，派出聯合巡邏部隊，截殺漢朝使節，以切斷漢朝與西域的交通線，阻塞了絲綢之路。漢朝的反應十分激烈，公元前108年，漢武帝派大將趙破奴率騎兵700人，突襲樓蘭，殺了樓蘭王。同時派兵攻破西域通道上姑師，控制了重要咽喉地帶。公元前103年和公元前102，漢武帝兩度派大將李廣利西征大宛，發起汗血寶馬戰役，威迫大宛殺死國王毋寡，重立親漢的貴族為王。通過一系列的軍事外交，威震了西域諸國，使許多國家臣服，與漢朝接成反匈奴聯盟。

歷時32年的漢武帝反擊匈奴戰爭，是漢民族對北方游牧民族發起的維護絲綢之路通暢的自衛還擊戰爭。該戰爭從根本上摧毀了匈奴賴以發動騷擾戰爭的軍事實力，使匈奴再也無力對漢王朝構成巨大的軍事威脅。戰爭中，匈奴被殲人數累計高達15萬之多，無力再與漢室相抗衡。匈奴失去水草豐盛、氣候溫和的河南、陰山和河西兩大基地，遠涉漠北苦寒之地，人畜銳減，開始走向衰落。戰爭為匈奴的分裂、南匈奴徹底臣服于漢王朝、北匈奴最終被迫西遷歐洲奠定了基礎。

漢武帝反擊匈奴戰爭始于武帝元光六年（公元前129年），以取得漠北決戰勝利為標志，劃分為前后兩個階段，以第一階段為主體。這一時期，漢軍對匈奴實施三次重大反擊戰役，并取得決定性勝利，從根本上解決了匈奴南下騷擾問題。這三大反擊戰役，分別是河南、漠南之戰，河西之戰和漠北決戰。

1.河南、漠南之戰。武帝元朔二年（公元前127年），匈奴騎兵進犯上谷（今河北懷來東南）、漁陽（今北京密云西南）等地。漢武帝派遣年輕將領衛青率大軍進攻匈奴所盤踞的河南地。衛青引兵北上，出云中，沿黃河西進，對占據河套及其以南地區的匈奴樓煩王、白羊王所部進行突然襲擊，全部收復了河南地。漢武帝移內地民眾十多萬在該地區屯田戍邊。抽掉了匈奴進犯中原的跳板，解除了對長安的威脅，為漢軍建立了一個戰略進攻基地。匈奴不甘心失去河南，數次出兵襲擾，企圖奪回河南地區。漢武帝于元朔五年（公元前124年），派遣衛青率軍進入漠南，反擊匈奴右賢王；李息等出兵右北平（今內蒙古寧城西南），牽制單于、左賢王，策應衛青主力行動。衛青出塞五六百里，長途奔襲，突襲睡夢中的右賢王，打得其僅帶數百人北逃。漢軍俘敵1萬多人，凱旋回師。這一仗的勝利，進一步鞏固了河南要地，徹底消除了匈奴對長安的直接威脅，并將匈奴左右兩部切斷。次年二月和四月，衛青兩度率騎兵出定襄（今內蒙古和林格爾西北），前后殲滅匈奴軍隊一萬多人，迫使匈奴主力退卻漠北一帶。

2.河西之戰。元狩二年（公元前121年）三月，霍去病率精銳騎兵1萬人出隴西，向河西走廊的匈奴人發起進攻。他采取突襲戰法，長驅直入，短短6天連破匈奴五王國。接著翻越大黃山千余里，與匈奴大軍在皋蘭山遭遇。漢軍殲敵近9000人，斬殺匈奴名王數人，俘虜渾邪王子及相國、都尉多人，凱旋而還。同年夏天，漢武帝派霍去病率精騎數萬出北地郡；張騫、李廣等出右北平，攻打左賢王，策應霍去病主力。霍去病繞道河西走廊北邊，迂回縱深達2000多里，從敵后，由西北向東南突襲，大破匈奴各部，在弱水河流域與河西匈奴主力展開決戰，殺敵3萬余人、俘獲匈奴名王5人及王母、王子、相國、將軍等百余人，收降匈奴渾邪王部眾4萬，全部占領河西走廊。漢武帝在那里設置武威、酒泉、張掖、敦煌四郡，移民屯田戍邊。河西之戰打通了通往西域的道路，實現了“斷匈奴右臂”的戰略目標。

3.漠北決戰。匈奴不甘心失敗，仍繼續從事南下襲擾的活動，并采納漢降將趙信的建議，準備引誘漢軍主力至沙漠以北地區，尋機加以殲滅。元狩四年（公元前119年），漢武帝經過充分準備后，集中了精銳騎兵10萬人，組成兩個大的戰役集團，分別由衛青和霍去病統率；另以步兵幾十萬、馬匹十余萬配合兩大主力行動。匈奴將部眾、牲口、輜重轉移到更遠的北方，“以精兵待于漠北”。衛青將計就計，率主力直撲單于所在，橫渡大沙漠，北進1000里，尋殲單于主力。同時命李廣、趙食其率部從東面迂回策應。不久，衛青主力遭遇嚴陣以待的單于主力。匈奴派出一萬騎兵對衛青軍團發起沖擊，衛青下令先用武剛車環繞己方軍陣，組成防御陣形，使用弓弩射殺敵人，掩護主力待機，另以五千騎兵迎敵，待匈奴騎兵進攻受挫后，指揮主力騎兵向單于軍發起沖擊，單于即投入所有部隊迎戰，雙方形成膠著。從中午大戰至黃昏，雙方傷亡均極其慘重。忽然大風驟起，視線不良。關鍵時刻，衛青將唯一的預備隊――輕裝騎兵，借風沙的掩護從兩翼向單于所在地實施包圍。單于見突入的漢軍騎兵人數多、戰斗力強，擔心后路被切斷，再呆下去對自己不利，僅帶數百精銳向北突圍。衛青派專門負責追擊的輕裝騎兵連夜追擊到寅顏山的趙信城（蒙古哈爾和林西南），仍不見敵蹤。是役一舉殲滅匈奴騎兵19000人，挺進到趙信城，城中積粟除補充漢軍之外，連同該城一同燒毀。在另一個方向，霍去病率軍北進2000多里，渡過沙漠，一直進軍到西伯利亞貝加爾湖，與匈奴左賢王遭遇。經過決戰，殲滅了左賢王精銳部隊，俘獲屯頭王、韓王以下70400人。漠北決戰共殲匈奴精銳9萬余人，嚴重削弱匈奴的實力，使其從此無力大舉南下，漢武帝反擊匈奴戰爭取得了決定性勝利。