由于汉朝国防巩固，匈奴无隙可乘，便转向西域扩张，同汉朝和亲而结成联盟的乌孙则成为最大的障碍。公元前72年，匈奴扭转马头弯弓射向乌孙，派兵夺取了乌孙的车延、恶师两地，企图迫使乌孙解除与汉的同盟关系。汉朝派五路大军讨伐匈奴，出西河、张掖、云中、酒泉、五原，约定均要出塞上千里，兵达二十万以上，引起匈奴极大震动，老弱奔走，驱畜产远遁，汉军所获甚少而提前返回。这年冬天，为了报复，匈奴偷袭乌孙，虽然俘虏了不少乌孙老弱及牲畜，但返军路上遇到暴风雪，兵力损失殆尽，被匈奴长期奴役的丁零、乌桓、乌孙等民族纷纷乘机反抗，使匈奴受到更大打击。
在内外交困的形势下，匈奴统治集团爆发了争权夺位的内讧。当年且鞮侯单于病死，左贤王久在封地未敢轻易返回单于廷，贵族以为其病重，改立其弟左大将为单于。左大将愿意让位给事后归来的其兄，左贤王当上狐鹿姑单于后，封左大将为左贤王并承诺自己死后让其弟接单于位。但以后不仅没有兑现承诺，还将左大将儿子左贤王先贤掸改立地位较低的日逐王。狐鹿姑单于儿子继位为虚闾权渠单于，仅仅执政了九年就病死。右贤王屠耆堂被拥立为握衍眗鞮单于，国人议论应该日逐王当单于。心怀不满的日逐王一向与握衍眗鞮单于不和，于是率部降汉，被封为归德侯。匈奴设在西域的僮仆都尉随即罢免，汉朝设立了西域都护，使汉朝的政令推行到西域，其管辖范围远至中亚，保护了丝路的畅通，利于东西方文化的交流。
汉朝设立西域都护后，匈奴针锋相对，又任命薄胥堂为新日逐王，企图与汉朝展开对西域的争夺，但连续不断的内争，已使匈奴丧失了争夺的能力。愈演愈烈的争位终于形成“五单于争立”局面。虚闾权渠之子稽侯狦未能当上单于也产生了怨恨，在匈奴姑夕王和其岳父乌禅幕的拥立下为呼韩邪单于，发兵打败握衍眗鞮单于并逼其自杀。匈奴右贤王马上又拥立日逐王薄胥堂为屠耆单于。原本拥立屠耆单于的乌揭王、右奥健王和乌籍都尉又相继叛变自立为乌揭单于、车犁单于和乌籍单于。公元前52年，呼韩邪单于最终取得了胜利，进驻单于廷。然而其兄在东边自立为郅支单于，并打败了呼韩邪单于。呼韩邪单于力排众议，引众进入五原塞，称臣事汉。在汉朝和呼韩邪单于的挤压下，迫使郅支单于西迁。公元前33年，已返回漠北的呼韩邪单于再次朝汉，并“愿婿汉氏以自奉”，汉朝将王昭君嫁给了单于，这是具有重大意义的历史事件，恢复了汉匈和亲的友好关系，导致汉匈五十年间相安无事。
纵观汉武帝登基至西汉末年时期汉匈之间的战争史，汉武帝后西汉王朝基本上没有对外进行大规模的军事行动，如果以公元前119年的漠北战役为界，可划分为两个阶段。前阶段以天才将领卫青、霍去病为主将，汉军损失十余万人，斩获匈奴二十余万人，和仍处于强盛时期的匈奴打仗，仗仗都是惨烈的硬仗，由于歼灭了大量有生力量，基本上解除了匈奴犯边的威胁。后阶段以庸将李广利为主将，虽然征大宛断了匈奴右臂，但总体丧师二十余万，斩获匈奴仅万余人，拖累了汉帝国。尽管后阶段有较大失利，却抹不掉前阶段胜利的辉煌，历史在这里出现了拐点。雄才大略的汉武帝已不满足于反击匈奴出塞即可，往往主动深入敌后数千里进行战略打击，长城与直道在这一时期演变成了弓与箭的关系，汉军每次出塞，犹如一支支利箭直射匈奴心脏，致使匈奴走向衰落，不得已迈开西迁之步，正如司马迁《史记·匈奴列传》所记载的那样：“自此以后，单于益西北，左方兵直云中，右方兵直酒泉、敦煌郡”。同时，由于汉朝西部边境扩张到河西走廊，战争格局发生了重大转变，这种转变从汉武帝出兵的路线上不难看出。
汉兵出北边诸塞的计有上谷一次，雁门三次，代三次，云中二次，朔方四次，北地一次，定襄三次，右北平一次，九原（五原）三次，西河二次，总合计二十三次，出西边诸塞的计有陇西二次，令居一次，酒泉二次，居延一次，征大宛二次，总合计八次。以上统计显示出，虽仍以北边出塞为主，但西征也显现频繁的势头。西汉兵制在长安设南北两军，从长安北上的大军，史籍并无载明取何道前进，但从军事地理学角度来审视的话，还是不难看出端倪的。从东到西，当有四条道可通行，一是循渭水北岸，东渡浦津，以至河东、太原、代。二是经频阳北行，以至上郡、西河、九原。三是秦直道，从云阳直至九原。四是经旬邑西北行，经北地以至新秦中。秦直道为首选道，其它三条道修建都早于直道，而秦始皇还是耗资巨大修建了这条军事快速道，可见其军事地理条件还是优于其他诸道的。大军从长安经云阳直达九原，然后分路相向出击，东沿北边道可以至云中、代、上谷。这是条与长城并行的交通干线，雏形见于《史记·赵世家》，赵武灵王“灭中山，迁其王于肤施，起灵寿，北地方从，代道大通”。西可以至朔方，朔方郡乃卫青收复河南地后从九原郡析出的新郡。
西汉王朝不仅积极利用秦直道出塞打击匈奴，而且对于直道的维护也曾有所着力，据《汉书·地理志》载：当时在北地郡新增了直路县和除道县，秦直道经过北地郡，这两个县命名应与直道有关。《水经·沮水篇》载：“沮水出北地直路县，东过冯翊祋祠县北，东入于洛”，祋祠县故城在今陕西省铜川市耀州区，沮水源头在今耀州区柳林镇西北，从沮水流经的地理推测，直路县故城在今柳林镇西北，其西南与西汉云阳县故城不远，可以说是直道的南端，除道县则可能设置在直道的北端，至少应该设置在直道的中段。这显然是为了加强对直道的控制，间接说明了西汉时期秦直道的重要性。 （9）
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