漢武帝為了提高皇帝的威權，雙管齊下。一方面，有意削弱丞相的職權，擴大太尉的職權，把太尉改為大司馬，又加上大將軍的稱號，大司馬大將軍分割了丞相的軍權。另一方面，建立宮廷決策班子，任命一些高級侍從（侍中、給事中），可以直接與皇帝討論國家大政方針；還起用高級宦官擔任中書，掌管尚書之職——出納章奏，掌握機要。于是形成宮內的決策班子，稱為“中朝”或“內朝”，使得以丞相為首的中央政府機構——“外朝”，淪為執行一般政務的行政機構。
漢武帝為了加強中央對地方的控制，創建刺史制度。全國分為十三部，由皇帝向每一部派遣一名刺史，代表中央負責監察地方。這種監察權，包括視察政治狀況，決定官員的任免升降，平反冤假錯案，監察郡國一級長官與地方豪強。西漢有一百零八個郡國一級政區，由中央直接管理似乎鞭長莫及，刺史部的建立解決了這一難題。刺史部就是一個監察區，負責監察若干郡國。然而刺史的地位不高，俸祿僅六百石，而郡國守相俸祿二千石，以小制大，用小官來監察大官，可謂一舉兩得：既防止監察區成為變相的一級行政區，又收到中央管理之效。
漢武帝為了加強中央軍權，改變軍隊分散于全國各地而首都內外沒有重兵的狀況，設立中央常備兵。先是設立期門軍、羽林軍，選拔隴西、天水等六郡所謂“良家子”，訓練成為精銳部隊；以后又訓練陣亡將士子弟，稱為“羽林孤兒”，很有戰斗力。中央常備軍的建立，對于帝國體制具有重要意義，它是歷代王朝“內重外輕”（重中央輕地方）兵制的開創。
漢武帝為了加強中央財政，任命理財家桑弘羊主管財政，進行改革。首先是“鹽鐵官營”，把生產與銷售鹽鐵的權利收歸國家壟斷，打擊操縱鹽鐵經營的地方豪強勢力。其次是“平準均輸”。平準法是由中央政府在首都長安設置平準官，按照價格波動，收購或拋售貨物，調解供需，控制市場。均輸法是由中央政府在各地設置均輸官，調節各地運往首都的物資，以保證軍需供給，都市消費，倉庫積儲。平準均輸政策打擊了奸商囤積居奇、哄抬物價，既維護了民眾利益，又加強了中央集權國家的財政基礎。
雄才大略的漢武帝在位的半個多世紀，使泱泱大漢登上了頂峰，帝國已強大到足以向邊陲地區及亞洲腹地不斷地發動軍事遠征。向西南遠征的結果，在云南和四川設立了?柯郡、越?郡、益州郡；對南越的遠征，把中華帝國的版圖擴大到越南的北部，漢朝在這片地區建立了九個郡；向東北遠征的結果，在朝鮮半島設立了四個郡。很長一段時間里，集中兵力在北方與西北方。從公元前133年起，在名將李廣、衛青、霍去病的指揮下，向經常騷擾中原的游牧民族匈奴發起攻勢，不久在西北邊陲設立了朔方郡和五原郡。
張騫兩次出使西域，完成了探索中亞的史詩般功業。張騫的第一次出使旨在聯合在阿姆河流域的大月氏夾擊匈奴，第二次出使旨在聯合伊犁河流域的烏孫夾擊匈奴，目的都是“斷匈奴右臂”。張騫歸國后向漢武帝報告了在西域的見聞，關于中亞的第一手資料，其中包括少許有關印度和前往印度的路線等情況，也提到中國絲綢出口的最西面的目的地——羅馬帝國，這是中國首次得到關于羅馬帝國的消息。今人仍可從《史記·大宛列傳》看到當時的盛況。
從當時的首都長安向西，前往河西走廊，再由武威經張掖、酒泉，到達敦煌。從敦煌西行，經玉門關、陽關往西的商路有兩條：一條是南道——從鄯善沿南山（昆侖山）北麓至莎車，西越蔥嶺（帕米爾），到達大月氏、安息諸國，再西去可以抵達大秦（羅馬帝國）；另一條是北道——沿北山（天山）南麓西行，越過蔥嶺的北部，向西可以到達大宛、康居、奄蔡諸國，再往西可以抵達大秦。這就是彪炳于史冊的絲綢之路。
西域的開通，使絲綢之路在全球歷史上聲名遠揚。中國的使臣和商人到達奄蔡（今里海東岸）、安息（波斯，即今伊朗）、條支、黎?（地中海東岸）。中亞、西亞各國的使節和商人來到中國。中國的精美絲綢由中亞、西亞運到羅馬帝國，成為羅馬元老院議員和貴族夫人的珍貴服裝面料。羅馬人當時僅僅知道中國是絲綢的產地，因此把中國稱為Seres,即拉丁語的“絲綢”。但是，安息和中亞各國都極力想維持各自在絲綢之路中的利益，不愿意中華帝國和羅馬帝國直接接觸。
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