张骞出使归国后，向武帝报告：在大夏（今阿富汗北部）时曾见到有蜀地产的布和邛杖，了解它们的来源，说是来自东南的身毒国（今印度），有数千里远，蜀地的商人到那里去做买卖。听说身毒国在邛以西约2000里。张骞说：大夏在汉朝西南，一向仰慕中国，就怕匈奴隔断来往的道路。要真开通了由蜀往身毒国的道路，就又近又方便。元狩元年（前122年），汉朝恢复了对西南夷的开拓，武帝派王然于、柏始昌、吕越人等十余人寻找从西南夷通向身毒的道路。滇（在今云南滇池一带）王留住汉使，为他们探路，但由于昆明（在今云南大理市南一带）阻挡，花了四年多时间也没有结果。
南越吕嘉反叛时，武帝命驰义侯从犍为郡征发南夷的军队，且兰（今贵州黄平县西南）的君长怕自己的军队跟随汉军远征后，被周围的部族乘机攻击，就发起反抗，杀了使者与犍为太守。汉朝用原来准备进攻南越的巴蜀罪人和八校尉加以镇压，正好南越已平定，调回的汉军攻入且兰，杀了数万人，在南夷地区设置了牂柯郡（治今贵州黄平县西南）。夜郎侯见南越被灭，请求入朝，被武帝封为夜郎王。汉军又杀了邛君、筰侯，冉骟等十分恐惧，请求臣服并设置行政机构，于是汉朝在邛都（今四川西昌市东南）设越砉郡，在筰都（今四川汉源县东北）设沈黎郡，冉駹（今四川茂汶县北）设汶山郡，在白马设武都郡（今甘肃武都县东北）。
张骞像汉武帝派王然于将灭南越和杀南夷反抗的部族首领的情况向滇王通报，劝他入朝，但滇王自恃有数万部众，又有它东北的劳深、莫靡等同姓部族的支持，拒不服从。两年以后的元封二年（前109年），武帝调巴蜀军队攻灭劳深、莫靡，兵临滇国，滇王举国投降，请求朝廷设立行政区，于是在滇设益州郡（今云南宁晋县东）。考虑到滇王曾带头拥护朝廷，武帝赐给他“滇王之印”，仍让他统治本部族的百姓。以后降服昆明，将其属地并入了益州郡，汉朝的西南界扩展到今高黎贡山和哀牢山一线，并与今澜沧江流域和缅甸东北部的哀牢人有了交往。
由于设置时考虑欠周，有的郡辖境有限，人口稀少，武帝末年撤销了沈黎郡，宣帝地节三年（公元前67年）又撤销了汶山郡。这两郡的辖境大多并入了相邻的蜀郡，疆域并没有什么减少，但对当地部族的统治相对放松了。
东汉永平十二年（69年），哀牢王接受内属，汉朝设置了两个县，又从益州郡划出六县，合并建立了永昌郡。汉朝的疆域不仅已包括今天云贵高原的全部，而且辖有今缅甸东部。
还是在战国后期，燕国就统治过朝鲜半岛北部的朝鲜、真番，在那里设置了行政机构和防御工事。秦始皇灭燕后，将燕国留下的机构划归辽东郡，作为在境外的附属机构。西汉初国力有限，考虑到在朝鲜半岛的机构路途遥远，仅修复了秦朝辽东的长城，以浿水（今朝鲜清川江）为界，归燕国管辖。燕王卢绾投降匈奴后，燕人卫满就聚集了数千人出塞。他们渡过浿水，在秦朝防区的旧地定居，逐渐控制了朝鲜、真番和流亡在那里的燕、齐移民，并在王险城（今朝鲜平壤南）建都。当惠帝时，辽东太守与卫满约定，让他当汉朝的藩属，但不得侵犯边境，也不得阻止朝鲜半岛上其他民族与汉朝的联系，朝廷批准了这项措施。卫满有了汉朝的支持，控制了真番、临屯（朝鲜半岛东海岸中部），其疆域大致包括今辽宁东端、吉林西南和朝鲜半岛的北部。
但朝鲜半岛上还有不少其他部族，元朔元年（前128年），半岛东北沿海一带的东夷秽君南闾等归属汉朝，武帝在那里设立了苍海郡。但该地与汉朝之间并不相连，通过海路运输耗费巨大。花了很大的人力物力后并没有获得实际利益，所以两年后就撤销了苍海郡。
到卫满的孙子右渠在位时，朝鲜引诱并接受了很多汉朝的逃亡人口，又从未入朝，而真番、辰国（在半岛南部）请他转达汉朝的书信也不上报。元封二年（前109年），武帝派涉何向右渠下达诏书，右渠不肯接受。涉何觉得难以向武帝复命，在回到浿水边时命部下刺杀了朝鲜护送他回国的裨王，回来后谎报“杀朝鲜将”。武帝心里明白，却没有追究，任命他为辽东东部都尉。朝鲜对他十分痛恨，发兵袭击，将他杀了。
武帝下令募集全国罪人从军讨伐朝鲜。当年秋，由楼船将军杨仆率5万军队由齐地（今山东半岛）渡海，左将军苟彘从辽东陆路进军，右渠得知后，发兵据守险要抵抗。荀彘先派一队辽东兵进攻，战败逃散。杨仆率7000齐兵先到达王险城，右渠在城上见杨仆军队人数少，山水画鉴赏就出城袭击。杨仆被击败，与士兵失去联系，在山中躲藏了十几天，才逐渐收罗游兵散勇，重新集结。苟彘进攻浿水西岸的朝鲜军队，也没有获胜。
武帝见两路军队都没有取胜，就派卫山向右渠劝降。右渠表示本来就想投降，只恐中计被杀，现在见到皇帝的使者，请求归降。右渠派太子入朝致歉，献马5000匹，及向汉军送上粮食。由一万多持武器的士兵护送。这支部队正在渡浿水时，使者和荀彘怀疑他们可能会搞阴谋，认为太子既已降服，就应让随行人员不带武器。太子也怀疑使者和荀彘欺骗他，就不渡浿水而退回。接到卫山回来的报告，武帝气得将他杀了。
荀彘军终于攻破朝鲜在浿水防守的军队，攻至王险城下，围住城西北，杨仆转驻城南。由于右渠坚守，几个月也没有攻下。荀彘的部队来自燕、代，又打了胜仗，作风骄悍。杨仆的士兵都是齐人，渡海时已有了损失，与右渠一仗被打得大败，造成士兵恐慌，将领心中惭愧，所以虽然包围着右渠，却希望与他议和。面对荀彘的不断攻打，朝鲜大臣与杨仆秘密协商投降事宜，联系了几次，尚未作出决断。荀彘几次与杨仆约期进攻，杨仆在等朝鲜投降，不采取行动。荀彘也秘密派人向朝鲜劝降，但朝鲜方面希望向杨仆投降而予以回绝。两将之间矛盾很深，荀彘认为杨仆此前已犯过脱离部队的错误，现在与朝鲜相处得很好，朝鲜却不投降，怀疑杨仆有意谋反。武帝等得心焦，派前济南太守公孙遂前往督战，并授权他便宜行事。公孙遂到前线后，荀彘向他报告了自己的想法，认为朝鲜之所以不能攻下，都是由于杨仆一直不如期会师：“现在如不除掉他，就会与朝鲜一起来消灭我的军队。”公孙遂赞同他的分析，以使节召杨仆来左将军荀彘营地商议军事，等杨仆到后就将他捆绑扣押，由荀彘接管了他的军队。
荀彘集中两军猛攻朝鲜，朝鲜大臣知道守不住，纷纷出城降汉，但右渠又不愿投降。元封三年夏，已经投降汉军的尼溪相参派人杀死右渠。但王险城尚未攻克，右渠的大臣成已继续抵抗，经右渠之子和其他降人向百姓劝告，将成已杀死，战事才最后平息。汉朝在朝鲜设立了真番、临屯、乐浪、玄菟四郡，辖境南至今汉江流域。
荀彘因争功嫉妒、使用诡计等罪被杀，杨仆则因擅自行动造成损失而定下死罪，赎为庶人。对朝鲜一仗打得如此艰苦，原因是多方面的，但两位主将的不和是主要因素。
朝鲜半岛北部的人口毕竟有限。很多地方尚未开发，还有一些地方仍由当地民族控制着，所以到昭帝始元五年（前82年），撤销了朝鲜的临屯和真番二郡，它们的辖境放弃了一部分，另一部分并入了乐浪郡。元凤五年（前76年），又将玄菟郡的东部放弃，治所也从朝鲜半岛上迁到了今辽宁新宾县以西。
昭帝以后，汉朝也没有组织向朝鲜半岛和辽东以东的地区移民，所以在朝鲜半岛的东海岸一带，汉朝的行政区缺乏本民族人口的基础。由于受到当地秽貊人和马韩人的压力，光武帝时放弃了乐浪郡在单单大岭（今朝鲜北大峰山脉）以东的7个县。原来分布在鸭绿江上游的高句丽逐渐摆脱了汉朝的统治，随着高句丽的兴起和扩张，玄菟郡的辖境也完全放弃，郡治迁到了今沈阳市西，辖有从原辽东郡辖境中划出的数县之地。
随着反击匈奴的胜利，元朔二年（前127年），汉朝收复河套地区，设置了朔方郡（治所在今内蒙古杭锦旗北）。汉朝整修了蒙恬所筑的长城的关隘，恢复了秦朝的边境线。元狩二年（前121年），由于匈奴昆邪王杀休屠王，合并了他的部众一起降汉，使汉朝获得了整个河西走廊。以后，汉朝在河西走廊陆续设置了酒泉、武威、张掖、敦煌四郡。昭帝始元六年（前81年），又在湟水流域设置了金城郡。
当西汉的疆域扩展到河西走廊时，人们就将走廊西端玉门关和阳关（均在今甘肃敦煌市西）以西称为西域。天山山脉横亘于西域，将它分为南北二部。高山、戈壁、沙漠又将一片片绿洲、河谷相互隔离，交通线漫长而艰险，因此形成了数十个语言不一、互不统属的小国。这些国最大的有数十万人口，小的才数百人。天山以南的诸国大多以城郭为中心，兼营农牧业、手工业、商业，被称为城郭诸国。少数国处于游牧状态，没有城郭。天山以北的国还是以游牧为主，但也有一些城郭。
西汉初，匈奴迫使原来居住在敦煌、祁连山和河西走廊的月氏、乌孙西迁后，又征服了西域诸国，在天山以北设置了僮仆都尉。汉朝夺取了河西走廊后，虽然打通了与西域的交通，但匈奴仍控制着西域，所以汉使常受到阻拦和劫掠。元封三年（前108年），汉军破楼兰（今新疆罗布泊西北）、姑师（今吐鲁番盆地内）。六年，汉朝又以宗室女嫁给乌孙王。太初元年（前102年）、三年，汉将李广利两次出征大宛。李广利的出征并不完全必要，又耗费了巨大的人力物力，但客观上打破了匈奴对大宛的控制。此后，汉朝在轮台（今新疆轮台县东南）、渠犁（今库尔勒市西南一带）驻兵屯垦，开始设置行政机构。
河西走廊但汉朝与匈奴在西域的争夺并没有结束，特别是天山以北各国还受到匈奴的威胁，不敢完全服从汉朝。又经过多次战争，到宣帝神爵二年（前60年），汉朝才取得决定性胜利，完全控制了天山北路，设置了西域都护府。初元元年（前48年），汉朝在车师（今新疆吐鲁番市东南）设置了戊己校尉，管理屯田和防务。都护府的治所设在乌垒城（今新疆轮台县东野云沟附近），其辖区包括自玉门关、阳关以西的天山南北，直到今巴尔喀什湖、费尔干纳盆地和帕米尔高原以内的范围，初期有36国，以后增加到50国。西域都护府既是汉朝的军事驻防区，也是一个特殊的行政区。一方面它与内地的正式政区不同，不设置郡、县，依然保留原来的国，汉朝一般不干预它们的内部事务，但掌握它们的兵力和人口等基本状况；另一方面，都护代表朝廷掌管这些国的外交和军事权，可以调动它们的军队，决定它们对外的态度，必要时还可以直接废立它们的君主，甚至取消某一国。可见，西域都护府所辖区域同样是汉朝疆域的一部分。