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比起秦朝对匈奴的强力驱逐来，汉朝与匈奴的对垒可谓是跌宕起伏，一波三折。相较秦军秋风扫落叶般的战斗力，汉军似乎还是略有逊色，公元前200年，汉军与匈奴的第一次大会战中，汉高祖刘邦就被困于白登山，此地大致在今天山西省大同市东北方的采凉山一带。另一方面的因素是在秦末战争和楚汉争霸的时候，匈奴在其首领冒顿单于的带领下，迅速强大起来，实力早以非秦时可比，仅诱困汉高祖一役，就出动精锐骑兵40万之众，致使数十万汉军内外夹击，苦战7日，竟不能解救汉高祖脱险，最后只得用重金行贿单于的阏氏才得脱身。
此役后，汉高祖深刻地认识到了匈奴这个对手的强大，因而放弃了武力征服的想法，忍气吞声，改用怀柔与和亲的策略换取双方表面上的和平局面。之后经过汉惠帝、汉文帝和汉景帝60多年的休养生息和励精图治，到汉武帝刘彻时代，汉朝一改昔日屈辱和亲的政策，开始对匈奴进行全面的战略出击。武帝元光二年（前133年）时，在马邑设下三十万人马的伏兵，准备诱歼匈奴主力，可惜未能实现。之后十余年间，汉朝数次派数路大军直接进攻匈奴，在卫青和霍去病等年轻将领的带领下，给予匈奴以沉重的打击，并为汉朝夺取了大片的土地。
《汉书·卫青传》载：“明年（元朔二年，前127年），青复出云中，西至高阙，遂至于陇西，捕首虏数千，畜百余万，走白羊、楼烦王。遂取河南地为朔方郡。”“元朔五年（前124年）春，青将三万骑出高阙，匈奴右贤王当青等兵，以为汉兵不能至此，饮醉，汉兵夜至，围右贤王。右贤王惊，夜逃，独与其爱妾一人骑数百驰，溃围北去。汉军追数百里，弗得，得右贤裨王十余人，众男女万五千余人，畜数十百万，于是引兵而还。”
卫青在河南（黄河河套以南）战役中击破白羊王、楼烦王，重新夺回河套之地，又大破匈奴右贤王。
汉长城示意图
《史记·卫将军骠骑列传》载：“元狩二年（前121年）春，以冠军侯去病为骠骑将军，将万骑出陇西……率戎士逾乌盭，讨遬濮，涉狐奴，历五王国，辎重人众慑慴者弗取，冀获单于子。转战六日，过焉支山千有余里，合短兵，杀折兰王，斩卢胡王，诛全甲，执浑邪王子及相国、都尉，首虏八千余级，收休屠祭天金人。”“其夏，骠骑将军逾居延，遂过小月氏，攻祁连山，得酋涂王，以众降者二千五百人，斩首虏三万二百级，获五王、五王母、单于阏氏、王子五十九人，相国、将军、当户、都尉六十三人。”
霍去病通过在这一年内的春夏两次战役为汉朝夺取了河西走廊，打通了中原到西域的道路，为开通丝绸之路创造了条件。
《史记·匈奴列传》载，元狩四年（前119年），“汉骠骑将军之出代二千余里，与左贤王接战，汉兵得胡首虏凡七万余级，左贤王将皆遁走。骠骑封于狼居胥山，禅姑衍，临翰海而还。是后匈奴远遁，而幕南无王庭”。
《汉书·霍去病传》载：“骠骑将军去病，率师躬将，所获荤允之士，约轻赍，绝大幕，涉获单于章渠，以诛北车耆，转击左大将双，获旗鼓，历度难侯，济弓卢，获屯头王、韩王等三人，将军、相国、当户、都尉八十三人，封狼居胥山，禅于姑衍，登临翰海，执讯获丑七万有四百四十三级。”
此次的漠北战役，卫青和霍去病两路并进，大破匈奴，单于远遁。
《史记·匈奴列传》：“汉两将军大出围单于，所杀虏八九万，而汉士卒物故亦数万，汉马死者十余万。匈奴虽病，远去，而汉亦马少，无以复往。”汉武帝也意识到，军事打击只能暂时击败匈奴，一旦假以时日，必定卷土重来，而朝廷劳师远征，每次云集大军，调拨粮饷马匹辎重，耗资巨万，行军及战死者不可胜数，虽屡有斩获，但自身损耗也是相当严重。所以在对匈奴保持军事威慑的同时，汉朝也没有间断对长城的修筑。其实早在发起河南战役之前的元光五年（前130年），武帝就“发卒万人治雁门阻险”，牢固边防，为出击做准备。
《史记·匈奴列传》载，河南战役后，“汉遂取河南地，筑朔方，复缮故秦时蒙恬所为塞，因河为固。……是岁，汉之元朔二年（前127年）也”。这一次汉朝重修了秦朝的北部长城。
元狩二年（前121年）春，霍去病打通河西走廊之后，汉朝随之也在这里修筑了长城。《汉书·西域传》有“骠骑将军击破匈奴右地，降浑邪、休屠王，遂空其地，始筑令居（今永登县附近）以西”的记载《汉书·张骞传》载：“汉始筑令居以西，初置酒泉郡，以通西北国。”“令居，县名，属金城，筑塞西至酒泉也。”这便是今天甘肃省永登县至酒泉市之间的汉长城。
甘肃省汉代玉门关小方盘城
《史记·大宛列传》载，元鼎六年（前111年），从骠侯赵破奴大破匈奴，在河西走廊增设张掖、敦煌两郡，“于是酒泉亭障至玉门矣”。
《汉书·张骞传》载，元封三年（前108年），赵破奴同王恢“击破姑师，虏楼兰王。酒泉列亭障至玉门矣”。据此两条记载可知，酒泉延伸至玉门的长城大致建于公元前111年到公元前108年。
《史记·匈奴列传》载，太初三年（前102年）“汉使光禄徐自为出五原塞数百里，远者千里，筑城障列亭至卢朐”。
《汉书·武帝本纪》载，太初三年（前102年）“遣光禄勋徐自为筑五原塞外列城，西北至卢朐，游击将军韩说将兵屯之”。
甘肃省玉门关汉代长城
五原郡在今内蒙古自治区包头市西部，其下辖长城即五原塞，也就是蒙恬始建、卫青重修的秦代长城。光禄勋徐自为所建列城因此也被称为“光禄城”或“光禄塞”。武帝又令强弩都尉路博德督修居延泽长城，即“居延塞”，位于今内蒙古阿拉善盟额尔济纳旗以东，汉代人称“遮虏障”。这段长城西南方与酒泉的河西长城相接，沿金塔附近小河西岸走向东北，至鼎新县又沿弱水向北，绕过古居延泽之北转向东北，穿过今中蒙边界，同西来的塞外列城相接。居延塞和光禄塞构成一个完整的防御体系，即汉朝的“外城”。这样汉朝的北方边塞已经向匈奴腹地大为推进，平时可对匈奴起到监视和震慑作用，如北方有变，汉军可更便捷地自此出塞，给敌人以雷霆万钧般的打击。
太初四年（前101年），在贰师将军李广利伐大宛后，汉朝修筑了从玉门至盐泽的长城，盐泽即今新疆罗布泊，亦称“蒲昌海”。《史记·大宛列传》载：“敦煌置酒泉都尉，西至盐水，往往有亭。”这段长城的修筑使得汉朝长城一直延伸进了新疆腹地，有力地遏制了匈奴在这一地区的侵扰，对西域各国的安定与繁荣以及丝绸之路这条东西方经济文化交流大动脉的畅通都起到了极大的保障作用。从此以丝路为纽带而联系在一起的东西方文明间进一步交流融合和发展，其影响力经久不衰直至今日。
汉长城东段起自朝鲜国境内的清川江畔，经辽宁省、内蒙古自治区和河北省，大致沿用了燕秦时期的长城，在一些地段则展筑新线，有夯筑的也有石砌的，一些地段不筑墙体，仅建墩台亭障。《汉书·匈奴传》中记载了郎中侯应关于是否罢撤边塞的问题给汉元帝的回答：“起塞以来百有余年，非皆以土垣也，或因山岩石、木柴、僵落（谓山上树木枯僵堕落）、溪谷、水门，稍稍平之，卒徒筑治，功费久远，不可胜计。”从其话语中即可得知当时修筑长城的多种材料与形式。
汉长城中段主要是内蒙古自治区与蒙古国间的武帝“外城”，其实也是分为南北两道，两条线南北相距5～50公里，都进入了蒙古国境内。南线走武川、固阳、乌拉特中后旗、新忽热和潮格旗出国境线。北线东起达茂旗西南，走乌拉特中后旗、潮格旗、乌兰、巴彦前达门、宝音图、乌力吉等地出境，再次入境后至额济纳旗素古诺尔湖东北，与西线长城汇合。这一线长城在汉宣帝时候就被放弃了，留下诸多城障和烽燧遗址。
甘肃省玉门关汉代长城
汉长城西段是现今所剩遗存最多的段落，即酒泉及以西至新疆维吾尔自治区的部分。墙体大致延伸到玉门关以西，便以烽燧的形式出现，墩台相望，一直向罗布泊深处而去。这一线长城因气候干旱，少有雨水冲刷，许多夯土墙体依然连贯完整。尤其敦煌至玉门关段长城的构筑很有特色，许多墙体是以土坯砌筑或是夯土夹杂着芦苇和胡杨树枝层叠混筑而成，残高多在2米以上。烽燧则保存得更好，甚至有残高在10米以上的，仿佛2000年的岁月风沙也拿它们无可奈何。著名的小方盘城就屹立于汉代玉门关遗址附近。相传这座近乎方形的土堡是汉代玉门关都尉的所在，也是至今玉门关仅有的建筑遗存。
东汉时期基本上恢复了西汉时期的疆域，也大部分沿用了原有的长城防线。两汉的长城全程累计近2万里，是中国历史上修筑长城最长的朝代。