早期经历
汉武帝生于汉景帝前元年（公元前156年）；据《史记》、《汉书》的后妃传记载，汉武帝生于汉文帝后七年（公元前157年）六月。母王氏，汉景帝中子。其母王氏在怀孕时，汉景帝尚为太子。王氏梦见太阳进入她的怀中，告诉景帝后，景帝说：“此贵征也。”刘彻还未出生，他的祖父汉文帝就逝世了。汉景帝即位后，刘彻出生，他亦是王氏唯一的儿子。
前元四年（公元前153年），刘彻以皇子的身份被封为胶东王。同年，景帝的长子、他的异母长兄刘荣获封为太子。前元六年（公元前151年）秋九月，无子无宠的薄皇后被废。第二年（公元前150年）春正月，废栗太子刘荣为临江王；夏四月乙巳，其母王氏被立为皇后，丁巳，刘彻被立为太子。他成为太子与其母孝景王皇后和其姑母馆陶公主刘嫖有很大关系。刘嫖许诺将她的女儿陈氏嫁给当时四岁（古代按虚岁计算）的胶东王刘彻。刘彻后娶陈氏为妃，两人成婚的时间无考。
后元三年（公元前141年）正月，景帝逝世。甲子，太子刘彻即皇帝位，尊皇太后窦氏曰太皇太后，皇后王氏曰皇太后。

君临天下
登基之初，汉朝建立已经有六十多年了，天下安定，朝廷大臣们都希望天子举行祭祀泰山和梁父山的封禅大典，改换确定各种制度。而皇上也崇尚儒家的学说，就通过贤良方正的科目招纳贤士。赵绾（wǎn，晚）、王臧等人靠文章博学而做官，达到公卿的高位。他们想要建议天子按古制在城南建立宣明政教的明堂，作为朝会诸侯的地方。他们所草拟的天子出巡、封禅和改换历法服色制度的计划尚未完成，正赶上窦太后还在推崇信奉黄帝、老子的道家学说，不喜欢儒术，于是派人私下里察访赵绾等人所干的非法谋利之类的事情，传讯审查赵绾、王臧，赵绾、王臧自杀，他们所建议兴办的那些事情也就废止了。
直至窦太后去世，汉武帝才得以掌握大权。他进一步削弱诸侯王的势力，颁布大臣主父偃（yǎn）提出的推恩令，以法制来推动诸侯王分封诸子为侯，使诸侯王的封地不得不自我缩减。同时，他设立刺史，监察地方。加强中央集权，将冶铁、煮盐、酿酒等民间生意编成由中央管理，禁止诸侯国铸钱，使得财政权集于中央。思想上，采用董仲舒“罢黜百家，独尊儒术”的建议，为儒学教育在中国古代的特殊地位铺平了道路，在长安创立专门的儒学教育——太学，是当时的最高学府。汉武帝时期，汉朝亦不曾缺少法治思想。在宣扬儒学的同时，汉武帝亦采用法规和刑法来巩固政府的权威和显示皇权的地位。因此，汉学家认为这更应该是以儒为主以法为辅，内法外儒的一种体制，对广大百姓宣扬儒道以示政府的怀柔，而对政府内部又施以严酷的刑法来约束大臣。
经文景之治的休养生息等一系列的发展经济与民生政策之后，西汉王朝的国力已蒸蒸日上。汉武帝在承袭这些政策同时，积极准备军事力量的发展。
在军事上，汉武帝先平定南方闽越国的动乱。后开始着手以军事手段代替带有屈辱性质的和亲政策来彻底解决北方的匈奴的威胁。派名将卫青、霍去病三次大规模出击匈奴，收河套地区，夺取河西走廊，征服西域，封狼居胥，将当时汉朝的北部疆域从长城沿线推至漠北。
在对匈奴的战争同时，采取和平手段和军事手段使西域诸国臣服。丧失肥沃茂盛的漠南地区后，匈奴王庭远迁漠北，这就基本解决自西汉初期以来匈奴对中原的威胁，为后来把西域并入中国版图奠定基础。张骞出使西域，丝绸之路由此而始。
在天文历法上一直是汉承秦制，汉初一直推行秦历——颛顼历，以10月为岁首。直至汉武帝太初改历，施行新历法。而春节正是始于太初改历，汉武帝改正朔。

巫蛊之祸
征和二年的巫蛊之祸是汉武帝末年皇室内部发生的重大政治事件。当时人对神怪诅咒之说深信不疑，汉武帝也不例外。有一天中午，他正躺在床上睡觉，忽然梦见几千个手持棍棒的木头人朝他打来，把他给吓醒了。他以为有人在诅咒他，立即派江充去追查。
丞相公孙贺之子公孙敬声擅自动用军费1900万钱，事败后被捕下狱。时值汉武帝下诏通缉阳陵大侠朱安世，公孙贺为赎儿子之罪，将朱安世捕获移送朝廷。孰料朱安世在狱中上书，声称公孙敬声与阳石公主私通，在驰道上埋藏木人以诅咒皇帝。汉武帝大怒，公孙贺父子死狱中，满门抄斩。阳石公主、诸邑公主，卫青之子长平侯卫伉相继被牵连入内，被杀。
江充率领胡人巫师到各处掘地寻找木头人，并逮捕了那些用巫术害人。江充一直搜查到卫皇后和太子刘据的住室，把事先准备好的木头人拿出来陷害太子。此时汉武帝在甘泉宫养病，不在长安。
征和二年（公元前91年）七月壬午，太子派人假冒使者收捕江充等人，把江充杀了。苏文逃到汉武帝处，向汉武帝控诉太子，汉武帝开始并不相信此说，派使者召太子，但使者不敢到太子那里，回报武帝说“太子反已成，欲斩臣，臣逃归。”汉武帝大怒，下令丞相刘屈氂率兵平乱。太子带人离去，将长安四市的市民约数万人强行武装起来，到长乐宫西门外，正遇到丞相刘屈髦率领的军队，与丞相军激战五日，死者数万人。长安城有流言说太子谋反，所以人们不敢依附皇太子，而丞相一边的兵力却不断加强，最终，太子势孤力弱而兵败，唯有逃离长安。
汉武帝愤怒异常，唯有壶关三老令孤茂敢上书汉武帝为太子申冤。
太子向东逃到湖县（今河南灵宝西），隐藏在泉鸠里。主人家境贫寒，经常织卖草鞋来奉养太子。太子有一位以前相识的人住在湖县，听说很富有，太子派人去叫他，于是消息泄露；八月辛亥（初八），地方官围捕太子；太子知道自己难以逃脱，便回到屋中自缢而死；主人与搜捕太子的人格斗而死，二位皇孙也一同遇害。
太子有三子一女，全部因巫蛊之乱而遇害，太子之子、史皇孙刘进有一子刘病已幸存，尚在襁褓中，后改名刘询，为汉宣帝。
久之，巫蛊事多不信。官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发的，经过调查发现多为有不实。上颇知太子惶恐无他意，高寝郎田千秋讼太子冤曰：“子弄父兵，罪当笞；天子之子过误杀人，当何罢哉！臣尝梦见一白头翁教臣言。”于是汉武帝霍然醒悟，立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾对太子兵刃相加的人也陆续被杀。汉武帝怜太子无辜，就派人在湖县修建了一座宫殿，叫作“思子宫”，又造了一座高台，叫作“归来望思之台”，借以寄托他对太子刘据和那两个孙子的思念，天下闻而悲之。

轮台罪己
汉武帝晚年求神仙又不成，又因巫蛊之祸造成父子相残、太子刘据自杀，种种打击使武帝心灰意冷，对自己过去的所作所为颇有悔意。在登泰山、祀明堂之后，武帝下《轮台罪己诏》说“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔。自今事有伤害百姓，糜费天下者，悉罢之！”以表示承认自己的错误。天下也因此又逐渐归于和谐，为昭宣中兴的盛世奠定了基础。

托孤霍光
公元前88年，汉武帝叫画工画了一张“周公背成王朝诸侯图”送给霍光，意思是让霍光辅佐他的小儿子刘弗陵作皇帝。在这段时间里（具体时间不详），刘弗陵的母亲钩弋夫人“因过”受到斥责，忧死于云阳宫。一般认为是子幼母壮，为了防止钩弋夫人重演吕后称制的局面，汉武帝找借口处死了她。
公元前87年二月，汉武帝于弥留之际立刘弗陵为太子，四天后的丁卯日，汉武帝驾崩于五柞宫，享年七十岁。三月甲申葬于茂陵。霍光正式接受汉武帝遗诏，成为汉昭帝刘弗陵的辅命大臣，与车骑将军金日磾、左将军上官桀、御史大夫桑弘羊等人共同辅佐朝政。其后继者昭帝（实为霍光掌政）和宣帝坚持执行武帝晚年制定的与民休息的政策，因而在西汉中期出现了被后世称颂的昭宣中兴局面。
刘彻去世后，谥号孝武皇帝，庙号世宗，葬于茂陵。
魏晋南北朝之前，去世的皇帝能否追尊庙号有非常严格的规定，按照“祖有功而宗有德”的标准，开国君主一般是祖、继嗣君主有治国才能者为宗。西汉十四帝，历经211年，仅有四位皇帝拥有庙号，即太祖高皇帝刘邦、太宗孝文帝刘恒、世宗孝武帝刘彻、中宗孝宣帝刘询。