史家对武帝的评价各不相同，是因为他不仅是一个雄才大略、卓具眼光的君主，而且是一个知过而改，虚怀纳谏，任人以贤的明主，其宏谋远虑为此后直到清皇朝两千年间的中国君主法宪制度提供了一整套相当稳定而成熟的模型和范式。但同时作为一个个体，他能文善赋，风流倜傥，好色、骄傲、虚荣、自私、奢侈享受，又有着普通人性中的弱点，因而也犯过一些错误，比如他爱民如子，同时却又杀人如麻。
与武帝同在一个时代的司马迁在《史记》中将其描述成一个奢侈、易被方士所欺骗的君王。东汉时的班固则纠正其偏颇的一面，赞扬汉武道：“汉承百王之弊，高祖拨乱反正，文、景务在养民，至于稽古礼文之事，犹多阙焉。孝武初立，卓然罢黜百家，表章《六经》，遂畴咨海内，举其俊茂，与之立功。兴太学，修郊祀，改正朔，定历数，协音律，作诗乐。建封禅，礼百神，绍周后，号令文章，焕然可述，后嗣得遵洪业而有三代之风。如武帝之雄材大略，不改文、景之恭俭以济斯民，虽《诗》、《书》所称何有加焉!”
班固对汉武帝的雄材伟略基本给以肯定。但清朝赵翼《廿二史札记》则指出其仍有偏颇：“专赞武帝之文事，而武功则不置一词。仰思帝之雄才大略，正在武功”。
宋朝的司马光在《资治通鉴》中评论汉武帝，说：“孝武帝奢极欲，繁刑重敛，内侈宫室，外事四夷，信惑神怪，巡游无度，使百姓疲敝，起为资贼，其所以异于秦始皇者无几矣。然秦以之亡，汉以之兴者，孝武能尊先王之道，知所统守，爱忠直之言却恶人欺蔽。好贵不倦，诛赏严明，晚而改过，顾托得人，此其所以有亡秦之失而免亡秦之祸乎!”
武帝的功绩前面已经详细叙述过，而史家对武帝的诟病主要在于他的奢侈和对外的连年征战。比如他和秦始皇一样也喜欢巡游，而且次数也有十几次之多，公元前110年那次巡游里程达到了一万八千里：从长安出发，先到北面阅兵，再南下到了中岳嵩山，然后向东巡游海边，接着到泰山封禅，又沿海岸往北到了碣石（现在的河北昌黎），此后向西经过九原（现在内蒙古包头）再回到长安。这次巡游里程和花费都超过了秦始皇。而他的对外征战也耗费了巨大的人力物力。
不过，武帝对自己的所为是有着清醒的认识的。他晚年曾对卫青说：
“汉家诸事草创，加四夷侵陵中国。朕不变更制度，后世无法。不出师征伐，天下不安。为此者不得不劳民。若后世又如朕所为，是袭亡秦之迹事。”他认为他所从事的“内兴功利，外事四夷”政策，都是出于创立制度、为后世留下样板和国家安全的考虑。他承认自己的政策会扰民(劳民)；他并不希望他的后代效法他的扰民政治，他告诫后代必须警惕而避免重蹈秦朝速亡的覆辙。
武帝向道，也修道。《汉武内传》中有记载他即位后，特别喜好神仙之道，经常到名山大川和五岳去祈祷，以求神仙。后来，其诚心感动了上天，有西王母降临宫殿，授他真经。汉武帝自从得到真经后修行了六年，觉得心胸清爽，格调高雅，认为既然得到上界大仙的亲传，自己一定能得道成仙。有了这种想法后，就渐渐放松了对自身品德的约束，又大肆修建宫殿亭台，劳民伤财，并对南方北方的异族夷、狄进行远征讨伐，对投降的俘虏也残酷的活埋屠杀，以致血流成河尸骨如山，黎民百姓怨怒冲天。到了太初元年十一月乙酉日，天火焚烧了供奉真经的柏梁台，存放在那里的经书连同装经书的匣子一起不见了。这是王母得知武帝不遵从她的教导胡作非为，才让天火烧毁了柏梁台。
由于他任用方士为其寻仙访道，晚年时，出现了方士栾大之祸和江充的“巫蛊”之祸。
晚年的武帝因为经常有病，所以疑心很重。有次他梦见有几千个木头人打他，醒来后就又病了。他不是吃药调养，而是说大臣和百姓诅咒了他，他才得的病。于是，他命方士江充到各地去调查此事，江充趁机打击异己，先后使几万人死于非命，这些人中有丞相和武帝的两个女儿。
后来，又有人揭发太子的宫中有诅咒武帝的木偶人，这逼得太子假造圣旨捕杀江充，同时派兵抢占长安的许多官署，想处死江充。武帝听说后不由大怒，命令抓捕太子。双方的军队在长安激战几日，太子最后自杀，卫皇后也自杀了。
次年，武帝查清太子是被诬陷的，于是给太子平反。但后来丞相刘屈氂（音毛）和将军李广利竟也被诬陷巫蛊活动来诅咒武帝，结果刘屈氂也被杀死，李广利则投降了匈奴，所带的七万军队全部丧失。这对于常胜匈奴的武帝来说打击无疑是很大的。最后，武帝终于查清楚所谓的“巫蛊”之祸都是江充一手制造的，武帝盛怒之下诛杀了江充的全家。
公元前89年，武帝最后一次巡游路过泰山时，在泰山的明堂向天神和大臣们检讨自己的过错。时间不长，他应大臣的请求，将所有的方士都赶走了。后来，武帝又下了罪己诏。此后，武帝采取了一系列有效措施，如与民休息，任用有为的大臣，两年之后，政治和经济都有了较大的改善，汉朝又恢复了活力，这为武帝的儿子昭帝和曾孙宣帝时期的“昭宣中兴”奠定了基础。
公元前87年，前后在位长达54年的武帝病重，在立了刘弗陵为太子，任命几个辅佐大臣后，第二天便驾鹤西去。死后被谥为“武帝”。武帝的陵墓叫做茂陵，在今天的陕西西安附近。
尽管汉武帝有着这样那样的缺点，但这些都无法掩盖他作为一个伟大的皇帝的光芒，他在中国历史上书写了浓重的一笔，历经千年也不曾衰退。
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