公元前141年，年仅16岁的刘彻登基，公元前87年3月29日驾崩，享年七十岁。刘彻在位长达54年之久，在中国的历代皇帝中执政时长排名第三，仅次于清朝的康熙（61年）和乾隆（60年）。
汉武帝一生致力于消灭匈奴，与匈奴的战争贯穿了他执政生涯的大部分时间，以下是他在位期间对匈奴发动的主要作战列表：
1.元光二年（公元前133年），重新亲政才一年多的汉武帝便接受大行令王恢的建议，谋划了马邑之围。王恢指示马邑人聂壹假装与匈奴勾结，诱使匈奴出兵十万来劫掠马邑。而汉军三十万大军潜伏在马邑周边，趁机围歼匈奴进犯马邑的大军。
然而令人遗憾的是，汉朝为了避免人口损失将马邑周边的人员悉数撤走，因此当匈奴大军开到马邑附近后，见到野外的牲畜无人看管于是便起了疑心。匈奴攻打马邑附近汉军的卫所，从俘虏的卫所官员那里问出了汉军的图谋，于是赶紧退走。而负责截断匈奴大军退路的王恢眼见匈奴撤退却不敢截击，使得匈奴全身而退。
马邑之战虽然最终没能打起来，但是它标志着汉武帝摈弃了之前历代汉帝对匈奴的和亲国策，汉朝正式与匈奴进入了战争状态。
2.元光六年（公元前129年），汉武帝遣四路汉军出塞反击入侵上谷的匈奴，其中三路汉军都战败，名将李广更是被俘所幸其后逃回。而车骑将军卫青这一路深入北地数百里，一举攻占了匈奴祭天的圣地龙城俘获匈奴700余人，就此拉开了汉武帝朝汉军骑兵远征塞外犁庭扫穴的序幕。
3.元朔元年（公元前128年），车骑将军卫青率三万骑兵出雁门，攻打盘踞山西北部的匈奴重要仆从国楼烦，此战汉军斩俘数千人为其后更大的行动打下了坚实的基础。
4.元朔二年（公元前127年），车骑将军卫青率大军奔袭黄河河套，一举夺下了这一匈奴的祖地，由于当时河套地区被称为河南，所以此战也叫做河南之战。河南之战汉军斩俘匈奴两万余众，解除了匈奴对长安的直接威胁，被称为汉武帝对匈奴的三大反击战之一。特别值得一提的是，从春秋时就一直雄踞山西北部为中原大患的楼烦民族，在此战后从历史中消失了。
5.元朔五年（公元前124年），车骑将军卫青率三万骑兵出高阙（今巴彦淖尔市乌拉特后旗呼和温都尔镇西南），会同从右北平（治所在今内蒙古宁城县西南）出击的大行李息一起，奇袭匈奴右翼的右贤王部。此战匈奴右贤王仅带数百人逃脱，汉军光是俘虏就抓了15000余人。自公元前129年以来，匈奴右翼对汉朝的威胁被彻底解除，汉朝与匈奴的交战主要方向也随之改变。
6.元朔六年（公元前123年），为了巩固对匈奴右翼的胜利成果，大将军卫青在两个月里连续两次六路从定襄（山西省忻州市定襄县）出塞北伐匈奴。这一战汉军和匈奴互有胜负，汉将赵信兵败投降匈奴；而剽姚校尉霍去病率800轻骑深入匈奴腹地，斩俘匈奴2200余人，第一次表现出了他卓越的军事才能，并得以此战功绩加封为冠军侯。
7.元狩二年（公元前121年）春，骠骑将军霍去病率万骑进击占据今天甘肃西部河西走廊的匈奴左部。此战中霍去病一改汉军稳扎稳打的战法，千里急进深入匈奴后方机动作战，斩俘匈奴左部万余人。同年夏，霍去病再次出击河西，这一次他彻底放开手脚深入匈奴腹地到处游击，汉军光是斩首就高达3万余级，给予了匈奴右部沉重地打击。
受到沉重打击的匈奴右部首领浑邪王由于担心被单于追责向汉朝归降，霍去病被派去迎接浑邪王。霍去病斩杀了企图逃走的浑邪王部8千余众，迫使举棋不定的浑邪王率所部4万余人向汉朝归顺。霍去病平定河西匈奴左部也称河西之战，是汉武帝反击匈奴的三大反击战之二。此战后匈奴的左膀右臂都被斩断，汉朝与匈奴王庭的决战即将到来。
8.元狩四年（公元前119年），汉武帝调集十万骑兵，分别由大将军卫青和骠骑将军霍去病各自率领5万骑，北伐漠北匈奴王庭。此战史称漠北之战，汉军在此战中重创匈奴单于主力，卫青部斩俘两万余人，霍去病斩俘七万余人。漠北之战是汉匈之间的一次战略决战，是汉武帝反击匈奴的三大反击战中的最后一战。
然而漠北之战既是汉武帝反击匈奴辉煌的顶点，也是最后的辉煌。此战后匈奴一改与汉朝针锋相对的战略，对于北伐的汉军主力采取避免决战，集中兵力围攻北伐汉军的后勤部队和小部队的策略。
9.元鼎六年（公元前111年），匈河将军赵破奴率汉军北伐，匈奴选择了避战，汉军无功而返。
10.太初二年（公元前103年），浚稽将军赵破奴率军二万攻打匈奴左贤王部，恢复了一些实力的匈奴调集八万大军围攻赵破奴，汉军全军覆没，赵破奴被生擒。
11.天汉二年（公元前99年），贰师将军李广利北伐匈奴右贤王部，在天山斩首匈奴万级。但是在回师途中遭遇了匈奴大军，险些全军覆没。汉军虽然最终突围成功，但是死者十之六七。偏师骑都尉李陵部被匈奴主力所围，最终全军覆没，李陵投降匈奴。
12.天汉四年（公元前97年），贰师将军李广利率六万骑兵、七万步兵出朔方北伐匈奴，另外强弩都尉路博德领军万余，与李广利会合；而游击将军韩说率步兵三万人出五原，因杅将军公孙敖率一万骑兵、三万步兵出雁门作为策应。这一战汉军调动了步骑兵22万之众，是汉武帝对匈奴用兵第二多的一战，仅次于漠北之战。
匈奴调集10万骑与李广利所率汉军大战于余吾水南岸，李广利接战不利后退回。此战汉军失利，说明匈奴实力恢复到了能与汉朝进行决战的水平。
13.征和三年（公元前90年），贰师将军李广利率骑兵7万出五原北伐匈奴，汉军开始是连战连胜。然而六月时丞相刘屈髦因为巫蛊案被汉武帝下狱处死，而与刘屈髦关系密切的李广利也因此受到牵连，他的妻儿都被下狱。李广利为了给妻儿赎罪不顾全军安危冒进深入匈奴腹地，虽然一开始取得了一些胜利，但是最终他在燕然山全军覆没，他所率汉军七万骑几乎无归者。
李广利全军覆没后，汉武帝终于明白自己深入漠北犁庭扫穴的战略已经无法维持，遂下了轮台罪己诏检讨自己的战略失误，停止北伐匈奴与民休息。
这十三场大战，是汉武帝在位期间对匈奴发动的主要战争，其它还有些零星的作战就不计入其中了。