汉武帝刘彻
为了加强边防建设，西汉采取措施鼓励民众向边境城邑迁徙，向边境输送粮食，对边郡居民进行军事训练。还在边郡设立马苑，大量养马，并鼓励私人养马。同时，大力加强骑兵的建设。经过长期努力，西汉终于建立起了一支能够和匈奴抗衡的骑兵部队。
元光二年（公元前133年），汉武帝放弃和亲防御战略，对匈奴实施战略反击。六月，西汉以精兵30万，设伏于马邑附近山谷和代郡（治代县，今河北蔚县东北代王城）西部，想要诱使匈奴单于南下，然后进攻他。虽然伏兵被单于发现，战略目标没有实现，但预示着西汉对匈奴战略反击的开始。此后至征和三年（公元前90年）止，武帝调兵遣将，主动出击，使用战斗力不弱于匈奴的骑兵集团深入大漠，以大纵深迂回、远程奔袭等战法，对匈奴发动了10余次反击作战。
元朔二年（公元前127年）春，匈奴袭掠西汉东部诸郡。西汉采取胡骑东进，汉骑西击之作战方针，以车骑将军卫青、将军李息率部出云中（郡治云中，今内蒙古托克托东北），沿黄河西进，对河套以南地区匈奴楼烦王、白羊王部实施远程迂回奔袭，一举收复河套以南地区。从而解除了匈奴对长安的威胁，使匈奴失去水草肥美、对其生存和发展十分重要的河套地区。西汉在河套以南地区设郡县，移民屯垦，修缮蒙恬所筑之秦长城，将河南建成出击匈奴的重要基地。
战后，匈奴南下袭掠更加频繁，右贤王更是不断袭掠朔方（郡治朔打，今内蒙古杭锦旗北），企图夺回河南。为巩固河套以南地区和打击大漠以南匈奴，汉武帝于五年（公元前124年）以骑兵10万发起漠南之战。主要方向由卫青率3万骑出高阙（今内蒙古狼山中部计兰山口）六七百里，乘夜包围袭击了右贤王王庭（约在今蒙古南戈壁省内）。右贤王兵败，率少数人逃走。汉军俘右贤王部男女1.5万余，削弱了匈奴在大漠以南的力量，阻隔了匈奴中、西部的联系。
六年（公元前123年），为进一步打击匈奴在漠南主力，武帝以大将军卫青率将军公孙敖等六将军，共10万骑两次出定襄（郡治成乐。今内蒙古和林格尔西北土城子）击匈奴。打击了单于主力，前后斩获1.9万人，汉亦亡两将军，损失3000人。此后，匈奴单于将主力转移至大漠以北，河西（今甘肃武威、张掖、酒泉地区），匈奴变得势单力孤。
西汉大将军卫青
武帝抓住时机，于元狩二年（公元前121年），发起河西之战。是年春，以霍去病为骠骑将军，率精骑万人自陇西（郡治狄道，今甘肃临洮）出发，经五个王国，过焉支山（今甘肃山丹西北大黄山）千余里，斩俘8900余。同年夏，霍去病率数力骑出北地（郡治马岭，今甘肃庆阳西北马岭镇），再击河西匈奴。汉军渡黄河向北，采取大纵深迂回行动。越贺兰山，向西北绕居延泽（今内蒙古额济纳旗北）向西南进入祁连山觚得（今甘肃张掖）一带，歼灭浑邪王、休屠王部3万余人。此战，打通了西域的道路，解除了匈奴对西部边郡的威胁。西汉在河西设置郡县，移民实边，修筑城塞，切断了匈奴与西羌的联系，进一步孤立了匈奴单于。
征途中的西汉大军
为了彻底消灭匈奴的主力，武帝于（公元前119年）四年春令卫青和霍去病各率5万骑兵发起漠北之战，并以“私负从马”（运输私人行李的马匹）4万匹随军行动，步兵数十万转运辎重。卫青率部出定襄。北进千余里至漠北，击败单于军，追击至阗颜山（今蒙古杭爱山南面一支）。霍去病率部出代郡2000里，至漠北遇左贤王，大破之，追至狼居胥山，大胜而归。漠北之战，共歼灭匈奴9万余。汉军亦损兵数万，损失马10余万匹。此战，西汉准备充分，兵力优势，充分发挥了骑兵快速、机动的优势，较圆满地解决了大骑兵集团的后勤补给，保证了决战的胜利。“是后，匈奴远遁，而幕（漠）南无王庭。”（《汉书·匈奴传》）西汉也一时无力渡漠继续追击，双方暂时休战。
此后，西汉派张骞再次出使西域，联络西域国家共击匈奴。虽未成功，但加强了西汉和西域各国经济文化往来与相互友好，进一步孤立了匈奴。元鼎五年夏（公元前112年），匈奴又南下袭扰，并遮断西域通路。六年，为打击匈奴，并与匈奴争夺对西域的控制，武帝对匈奴继续用兵。是年，在李息、徐自为率军平定西羌的同时，又以公孙贺、赵破奴分别出五原（郡治九原，今内蒙古包头市西北）和令居（今甘肃永登西北）数千里击匈奴，均未见匈奴军。太和元年（公元前104年），匈奴左大都尉欲降汉。武帝令赵破奴率2万骑出朔方2000里，欲至浚稽山（今蒙古国图音河之南）接应。左大都尉事泄被杀，赵破奴撤军途中被围，全军覆没。天汉二年（公元前99年）五月，将军李广利率3万骑出酒泉（郡治禄福，今甘肃酒泉市），进击右贤王于天山（今新疆天山）。初战获胜，撤军途中，遭匈奴军包围，乏食数日，死伤十之六七，突围返回，李陵被俘。四年（公元前101年），李广利率骑兵6万、步兵7万出朔方击匈奴；强弩将军路博德率万余骑出居延，协同李广利作战；游击将牛韩说率步兵3万，因杆将军公孙敖率骑兵万余、步兵3万分别出五原、雁门（郡治善无，今山西右玉县城南）击匈奴。匈奴单于将辎重远徙余吾水（今蒙古土拉河）以北，率10万骑迎战李广利于余吾水南。李广利与单于交战十余日，未能取胜而返。其余各路军亦无功。
西汉将军李广利
征和三年（公元前90年）三月，李广利率军7万出五原，御史大夫商丘成率军2万出西河（郡治平定，在今内蒙古东胜境），重河侯马通率4万骑出酒泉。匈奴单于听到汉大军将至，将辎重北徙至郅居水（今蒙古色楞格河），自率主力南渡姑且水（今蒙古巴彦洪格尔省南部图音河）以等待汉军决战。李广利出塞后，击败匈奴左大都尉卫律，乘胜追击至郅居水，匈奴退走。李广利以2万骑渡郅居水，击败左贤王，杀左大将。汉军撤退时，单于知李广利疲惫，以5万骑遮击汉军于燕然山（今蒙古杭爱山），汉军大败，李广利降匈奴。马通、商丘成两路，亦未有所获。
汉宣帝刘询
燕然山之败后，汉武帝在经济困难，人民疲惫的情况下，停止了对匈奴用兵，并下诏罪己，采取一些“思富养民”的措施，发展生产，恢复国力。汉宣帝刘询时，西汉国力逐渐恢复，又开始对犯边之匈奴进行反击。本始二年（公元前72年），宣帝以祁连将军田广明等五将军和校尉常惠监乌孙兵，六路击匈奴。五将军少有斩，唯常惠监乌孙兵击破右谷蠡王庭，歼匈奴4万余。匈奴避战远遁，人畜死亡不计其数。神爵二年（公元前60年），匈奴日逐王降汉，内部争斗更甚。西汉设西域都护府，完全控制了西域。
甘露元年（公元前53年），匈奴分裂为南北二部。呼韩邪单于率南匈奴附汉，郅支单于率北匈奴西迁至康居（约在今巴尔喀什湖与咸海之间）东部筑城而居。
建昭三年（公元前36年），汉西域副校尉陈汤矫诏发西城诸国兵及屯田吏士4万人分两路攻杀郅支单于，灭北匈奴，从而结束了西汉与匈奴的百年大战。
西汉与匈奴的战争是秦汉以来最大规模的一场民族战争。汉、匈双方投入骑兵数十万，大战十余次，小战数十次。以下是一些西汉与匈奴之间重要的战役：
（一）白登山之战
白登山之战是指汉高祖七年（公元前200年），在西汉与匈奴的战争中，匈奴冒顿单于以优势骑兵围困汉军于白登山的战争。
高祖六年秋，汉将韩王信献马邑（今山西朔县）之地降匈奴，匈奴乘胜南下。七年十月，刘邦亲率大军北上，在铜醒（今山西沁县南）击败韩王信，又连续在晋阳（今山西太原市西南古城营村）等地取得对匈奴和韩王信军的胜利，乘胜追击。刘邦闻知匈奴冒顿单于居代谷（今山西代县北雁门山北），便派使者前往侦察。为诱汉军北进，冒顿单于在汉使者到来时，将精锐士兵和肥壮牛马都隐藏起来，故意只将老弱士兵让汉使者看到。先后有十几批汉使回来都说匈奴可击。刘邦于是亲率大军32万越过句注山（今山西代县北之雁门山）北上。恰好又一位出使匈奴的郎中娄敬返回，他说：“两国打仗，应该向对方展示自己强大的实力威慑敌方才对。但我前往，只见到羸瘠老弱，这肯定是故意示弱，埋伏下奇兵以争取更大的胜利。我以为匈奴不能攻打。”力劝刘邦罢兵。可这时几十万汉军已过句注山，娄敬之言大大地动摇军心。高祖大骂娄敬，并把他关押起来以稳定军心，亲率部分兵力进至白登山，后来汉军果然在白登被匈奴40万精骑包围。
刘邦率军逃离白登山
汉军被围七天七夜，粮草将尽，情况十分危急。刘邦采取了陈平的建议，厚赂冒顿单于阏氏（匈奴单于妻之称号）。阏氏于是劝冒顿单于：“两主不相困。即使得到了汉地，单于也不能长久居住。且汉王亦有神，单于察之。”由于阏氏的劝说，而且相约配合作战的西汉降将王黄、赵利没有按时到达，单于怀疑他们与汉有谋，因此解围一角。刘邦令强弩加两矢对外掩护，趁着大雾，率军由缺口逃出白登山，至平城，才与大军会师。刘邦令樊哙守代（郡治代县，今河北蔚县东北代王城），率军回南。匈奴也撤军而去。
白登之战后，高祖认识到国家久战之后，没有实力彻底解决匈奴的问题，听取了娄敬的建议，对匈奴采取和亲的政策。
（二）上郡之战
上郡之战是指汉景帝中元六年（公元前144年），在西汉与匈奴的战争中，汉边郡太守李广与匈奴骑兵的一次遭遇战。
西汉边郡太守李广
中元六年，匈奴劫掠西汉在边郡所养的苑马。至上郡（郡治肤施，今陕西榆林东南鱼河堡）时，匈奴数千骑与率百余骑兵出巡的李广遭遇，敌我力量对比悬殊。幸好匈奴误认为抢马惹怒了汉军，李广被派来诱敌，大队汉军就埋伏在附近，不但不敢进攻，反而立即上山列阵。李广的部属纷纷要求赶快撤退，免得死无葬身之地，李广道：“我们跑得再快又能比匈奴的骑兵快多少呢，若是被追上就会难以生还，不如索性停下来，匈奴兵摸不清我们的虚实，一定不敢轻易来攻击我们。”于是故意前进至离匈奴军2里处解鞍下马，做出毫无防备的样子，匈奴骑兵愈发不敢进攻。匈奴军中有一位骑白马的将军出来巡视队伍，李广带领十余骑飞奔过去射杀了他，又很快回来，并令士兵放开战马，人都在地上休息。匈奴越加疑惑，仍不敢进击。到了半夜，匈奴以为汉军大部队有可能乘夜偷袭，连夜率军逃了回去。天亮之后，李广从容不迫地率军返回大营。
此战，在处于绝对劣势的时候，飞将军李广从容镇静，临危不惧，利用疑兵之计，避免了被敌军歼灭的情况出现，与诸葛先生的空城计有异曲同工之妙。
（三）马邑之战
埋伏于阵前的西汉部队
马邑之战是指汉元光二年（公元前133年），在西汉与匈奴的战争中，汉武帝刘彻在马邑（今山西朔县）设伏击匈奴没有成功的一次军事行动。
元光二年，雁门（郡治善无，今山西右玉城南）马邑的富户聂翁壹通过王恢建议汉武帝诱单于至马邑，然后伏击歼灭。武帝召集群臣商量这件事，有的主战、有的主和，意见不一。武帝认为，经几十年休养生息和战争准备，国库充实，军力强盛，反击匈奴的条件已经成熟，决定改变战略防御为主的政策，转入反击。令聂翁壹会见匈奴军臣单于，假说可以杀了马邑县令，请匈奴来取其子女、财物。聂翁壹回来后，斩了一个犯了死罪的囚犯，悬其头于城上，称这就是县令首级。军臣单于信以为真，高兴地亲率10万骑兵进塞，准备大肆搜刮子女、财物。武帝发兵30万。以御史大夫韩安国为护军将军，卫尉李广为骁骑将军，太仆公孙贺为轻车将军，率军埋伏在马邑附近山谷中，预备消灭匈奴有生力量；以大行王恢为将屯将军，太中大夫李息为材官将军，率3万人伏于代郡（郡治代县，今河北蔚县东北代王城），准备截击匈奴辎重。军臣单于进至离马邑百余里的地方，看到牛羊遍野，没有人看管，对这种不寻常之处生出怀疑，立即派兵夺诹汉亭塞。审问俘获的汉雁门尉史，这才得知汉重兵埋伏于马邑四周山中，于是马上引兵退走。伏于代郡的王恢的部队，见匈奴兵人数众多，未敢贸然出击。
马邑伏击虽未成功，但却揭开了西汉反击匈奴作战的序幕。
（四）河套以南战役
西汉与匈奴军队激战
河南之战是指汉武帝元朔二年（公元前127年），在西汉与匈奴的战争中，汉车骑将军卫青率军夺取河套以南地区（今黄河河套南内蒙古伊克昭盟一带）的远程迂回作战。
元朔元年，匈奴骑兵先后袭掠辽西（郡治阳乐，今辽宁义县西）、渔阳（郡治渔阳，今北京市密云西南）、雁门（郡治善无，今山西右玉城南）等地。二年春，又袭掠上谷（郡治沮阳，今河北怀来东南）、渔阳，杀掳吏民千余人。
