景帝前元元年(前156年)刘彻出生，是汉景帝第十子。
景帝前元四年(前153年)四月己巳，汉景帝立庶长子、栗姬子刘荣为太子，史称“栗太子”;同日，封刘彻为胶东王，刘彻时年四岁。
景帝前元七年(前150年)正月，汉景帝废太子刘荣为临江王;同年夏四月乙巳，王夫人封为皇后，七岁的胶东王刘彻以王皇后唯一的嫡子身份立为储君。
景帝中元二年(前148年)临江王刘荣“坐侵庙壖垣为宫”(侵占宗庙外空地扩建宫室而犯罪)入狱，不久自杀;九月，梁王刘武刺杀袁盎等十余人。
景帝后元三年(前141年)正月，汉景帝驾崩，十六岁的刘彻即位。
武帝建元元年(前140年)用赵绾、王臧开始建元新政。
武帝建元二年(前139年)由于侵犯了宗室利益，赵绾王臧下狱自杀新政挫败，刘彻开始韬光养晦。
武帝建元三年(前138年)派遣张骞出使西域。
武帝建元四年(前137年)扩修上林苑
武帝建元六年(前135年)窦太后病死，二十二岁的刘彻正式执政。
武帝元光二年(前133年)六月，马邑之围未能伏击匈奴而失利;开始与匈奴大规模交战。
武帝元光五年(前130年)车骑将军卫青大破龙城，取得了自汉朝开国以来对匈战役的首次胜利，从此，进入对匈战争的转折点。
武帝元朔元年(前128年)卫子夫生汉武帝长子刘据;三月，封卫子夫为皇后;武帝时年二十九岁。
武帝元朔二年(前127年)主父偃上书武帝，建议实行《推恩令》;不久正式实行;同年，卫青收复河朔之地，驱走白羊、楼烦王，筑朔方城，从此彻底解决了匈奴对长安的威胁。卫青受封长平侯。
武帝元朔三年(前126年)张骞出使西域归来，历时十三年。
武帝元朔五年(前124年)车骑将军卫青击败匈奴右贤王，得右贤稗王十余人，畜数千百万，天子于军中拜其为大将军，诸军皆从大将军号令。
武帝元朔六年(前123年)霍去病始战，封冠军侯。
汉武帝元狩二年(公元前121)骠骑将军霍去病两次进军河西(今河西走廊)，打击匈奴，收复河西走廊。
武帝元狩四年(前119年)春夏之际，大将军卫青大战匈奴于漠北，伊稚斜单于逃走;骠骑将军霍去病的东路军大败左贤王，封狼居胥山，左贤王败逃而去，彻底解决了匈奴之患，从此“漠南无王庭”。
武帝元狩六年(前117年)大司马骠骑将军霍去病薨。
武帝元鼎四年(前113年)得宝鼎于汾水上。
武帝元封元年(前110年)泰山封禅，始有年号“元封”。
武帝元封五年(前106年)大司马大将军卫青薨。
武帝太初元年(前104年)改正朔，易太初历，以正月为首(原以十月为首)。
武帝天汉二年(前99年)秋，李陵战败于浚稽山而投降，汉武帝腐司马迁。次年，汉武帝因误信匈奴俘虏，认为李陵为匈奴练兵防备汉军，遂族李陵母弟妻子。陇西士夫皆以李氏为耻。
武帝征和二年(前91年)被丞相公孙贺缉捕的通缉犯朱世安诬告贺之子公孙敬声以巫蛊咒武帝，贺父子下狱死，诸邑公主与阳石公主、卫青长子长平侯卫伉皆坐诛。武帝命宠臣江充为使者治巫蛊，七月，太子刘据因“巫蛊案”被陷害不能自明，杀江充，被迫起兵，卫子夫在汉武帝派人收皇后绶印时自杀;八月，太子自杀，其妻妾子女皆被害，唯襁褓之中的孙子刘病已幸免，后为汉宣帝。
武帝征和二年(前90年)李广利与刘屈氂密谋立李夫人之子刘髆为太子，后事发，刘屈氂被杀，李广利投降匈奴。田千秋上疏，汉武帝为巫蛊之祸中被陷害致死的太子平反，夷江充三族，烧死苏文，建“思子宫”“归来望思之台”以寄托哀思。
武帝征和四年(前89年)桑弘羊等人上书，建议在轮台戍兵以备匈奴，汉武帝驳回其建议，并下诏反思，称“当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农。修马政复令以补缺，毋乏武备而已”。史称《轮台罪己诏》
武帝后元二年(前87年)二月，汉武帝驾崩，终年七十岁，在位共五十四年，葬于茂陵，谥号孝武皇帝。遗命霍光、金日磾、上官桀辅佐幼子刘弗陵(时年八岁，后改名刘弗)即位，为汉昭帝。
汉宣帝本始二年(公元前72年)五月，汉宣帝刘询尊武帝的庙号为世宗。
