晚年更加低调谨慎。他于元封五年（前106年）病逝，刘彻同样下令仿照匈奴境内的庐山（真颜山）形状为其筑墓，以纪念其破匈奴主力于漠北的功绩。

卫青与霍去病，舅舅与外甥，同为帝国双璧，性格与作战风格却迥异。卫青以正合，用兵稳健，爱惜士卒；霍去病以奇胜，敢于长途奔袭，锐气无双。两人并称“帝国双璧”，是刘彻实现其北逐匈奴、开疆拓土雄心最为倚重的左膀右臂。他们的成功，既源于自身的天才与努力，也离不开刘彻的知人善任和毫无保留的支持。刘彻给予了他们极大的信任和舞台，而他们也以辉煌的战绩回报了这份知遇之恩。

与此同时，刘彻还平定东南闽越、东瓯的叛乱，灭南越、卫氏朝鲜，在其地设置郡县；经营西南夷，打通西南通道；特别是通过张骞两次出使西域，虽然联合大月氏的军事目的未达成，却开辟了着名的“丝绸之路”，促进了中西经济文化的交流，极大地拓展了汉朝的影响力和已知世界的范围。

为了支撑浩繁的战争和巨大开支，刘彻推行了一系列强有力的经济改革。他将盐、铁、酒等重要产业收归国家专营；推行均输、平准法，调控物资物价；颁布“算缗、告缗令”，向商人征收财产税，并鼓励告发隐匿资产者，此举在增加收入的同时也沉重打击了商人阶层；改革币制，发行五铢钱，将铸币权收归中央。这些措施虽然有效地聚敛了财富，支撑了战争，但也加重了百姓负担。

晚年的刘彻，逐渐变得多疑、昏聩且沉迷神仙方术。征和元年（前92年）发生的“巫蛊之祸”是其统治时期最大的悲剧。丞相公孙贺之子公孙敬声被人告发以巫术诅咒皇帝，牵连甚广。

刘彻派宠臣江充查办此事，江充因与太子刘据有隙，遂诬陷太子行巫蛊。太子刘据惶恐之下，起兵诛杀江充，与丞相刘屈氂的军队在长安城内激战数日，死者数万。

最终太子兵败逃亡，自缢而死，其母皇后卫子夫也随后自尽。这场祸乱使得刘彻失去了悉心培养的继承人和多位至亲，朝局为之震荡。直到后来田千秋等上书为太子辩冤，刘彻才幡然醒悟，族灭江充一家，筑“思子宫”与“归来望思之台”以寄哀思，但其心中的创伤已难以弥补。

连年的战争和严刑峻法使得社会矛盾空前激化。元封四年（前107年），关东流民达二百万；天汉年间（前100-前97年），齐、楚、燕、赵、南阳等地爆发大规模农民起义，刘彻甚至需要派出“绣衣直指”御史发兵镇压。征和三年（前90年），贰师将军李广利远征匈奴失利后投降，给了刘彻巨大的打击。

他开始深刻反思自己一生的作为。征和四年（前89年），他拒绝了桑弘羊等人关于在轮台屯田驻兵的建议，并下诏“深陈既往之悔”，这就是着名的“轮台罪己诏”。在诏书中，他承认“朕即位以来，所为狂悖，使天下愁苦，不可追悔”，宣布“当今务在禁苛暴，止擅赋，力本农”，标志着其国家政策从“开边兴利”转向“休养生息”。

后元二年（前87年），刘彻病重。他立幼子刘弗陵为太子，鉴于其母钩弋夫人年轻，为防“主少母壮”、外戚专权重演，他毅然赐死了钩弋夫人。选择霍光、金日磾、上官桀、桑弘羊四位大臣为辅政，托付后事。安排完这一切后，这位统治中国长达半个多世纪、功过都极其鲜明的帝王与世长辞，葬于茂陵，谥号“孝武皇帝”，庙号“世宗”。

汉武帝刘彻的一生，是一部开拓与消耗、辉煌与血泪、雄主与暴君特质交织的复杂历史。他极大地扩展了华夏民族的生存空间，奠定了汉地的基本范围，强化了中央集权，确立了儒家思想的主流地位，其文治武功影响深远。然而，他的“多欲政治”也耗尽了文景之治积累的财富，导致了社会危机的爆发。他既是“英主”，也是“暴君”。正如《汉书》所评：“如武帝之雄材大略