汉武帝是第一位在统一的国家制定、颁布太初历的皇帝，以正月为岁首这一点，一直沿用至今。中国汉初以前，主要采用“古六历”（黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁）中的《颛顼历》。太初元年（公元前104年）改太初历，以正月为岁首，色尚黄。《太初历》的制订是中国历史上具有重要性的一次历法大改革，是中国文明在世界天文学上的不朽贡献。《太初历》的科学成就，首先在于历法计算上的精密准确。
汉武帝创建太学、乡学，设立举贤制度，形成了中国独特的文官制度。
乐府一名本指管理音乐的官府。汉武帝在掌管雅乐的太乐官署之外，另创立乐府官署，掌管俗乐，收集民间的歌辞入乐。“采诗夜诵，有赵、代、秦、楚之讴”、“以李延年为协律都尉，多举司马相如等数十人造为诗赋，略论律吕，以合八音之调，作十九章之歌”。后人把乐府机关配乐演唱的诗歌，也称乐府。
汉武帝时期出现了秦统一后中国见于史籍记载的《舆地图》，元狩四年四月丙申，“太仆臣公孙贺行御史大夫事……奏舆地图，请所立国名。
汉武帝派张骞通西域，打通了丝绸之路，促进了中、西双方的经济、文化交流。这在中国史上属首次。从西域胡（黄）瓜、胡豆、胡麻、石榴、胡萝卜、葡萄、汗血马、核桃、苜蓿种植，从大宛引进了良种马———天马，西域的乐曲、魔术传至中国。中国传出了冶铁术、凿井术、丝绸制造、漆器制造等技术，井渠法作龙首渠，后传入今中国新疆地区，并进而入波斯等地。中原大量的丝织品和金属工具向西输送，铸铁技术，井渠法也传到西域，历史意义重大。
西域同内地的联系开始于遥远的历史年代，到公元前2世纪左右，西域分为三十六国，互不统属。在天山以北的准噶尔草原有乌孙、且弥等国；在天山以南，昆仑山以北的塔里木盆地地区，又分为南道诸国和北道诸国。
北道诸国有龟兹（新疆库车）、疏勒、焉耆（新疆焉耆）、车师（新疆吐鲁番）等较大的国家。南道诸国有莎车（新疆莎车）、于阗（新疆和田）、楼兰（新疆罗布泊西）等国。汉武帝任命张骞为中郎将，率领三百多随员，携带大批金币丝帛以及牛羊向西域进发。张骞到达乌孙后，原定目的虽未达到，大宛、康居、月氏、大夏等国。
元鼎二年（前115年）张骞回来，乌孙派使者几十人随同张骞一起到了长安。此后，汉武帝派出的使者还到过安息（波斯）、身毒（印度）、奄蔡（在咸海与里海间）、条支（安息属国）、犁轩（附属罗马的埃及亚历山大城），中国使者还受到安息专门组织的二万人的盛大欢迎。自此，丝绸之路正式开通。[101]开辟了链接东到长安，西到罗马帝国，最远至埃及亚历山大的贸易通道。
元封三年（前108年），汉武帝命赵破奴率军进攻楼兰、车师，并在酒泉（甘肃酒泉）至玉门关一带设立亭障，作为供应粮草的驿站和防守的哨所。
太初元年（前104年）汉武帝派李广利出征大宛，击败大宛后，西域的交通更加通顺。西汉又在楼兰、渠犁（新疆塔里木河北）、轮台（新疆库车县东）等地设校尉管理屯田，这是汉在西域最早设置的军事和行政机构，实际上西域已经正式纳入中华版图。
元封二年（公元前109年），汉武帝亲临现场督察堵塞黄河瓠子决口。
征和元年（前92年），汉武帝住在建章宫，看到一个男子带剑进入中龙华门，怀疑是不寻常的人，便命人捕捉。该男子弃剑逃跑，侍卫们追赶，未能擒获。汉武帝大怒，将掌管宫门出入的门候处死。冬十一月，汉武帝征调三辅地区的骑兵对上林苑进行大搜查，并下令关闭长安城门进行搜索，十一天后解除戒严。巫蛊事件开始出现。
丞相公孙贺之子公孙敬声