丘成出任御史大夫。

汉武帝立赵敬肃王刘彭祖的小儿子刘偃为平干王。

匈奴侵入上谷、五原二郡，对当地的地方官和老百姓进行屠杀和劫掠。

三年(辛卯，公元前90年)

春季，正月，汉武帝巡游至雍，又到达安定、北地二郡。

匈奴侵入五原、酒泉、杀死二郡都尉。三月，汉武帝派李广利率兵七万从五原出塞，商丘成率兵二万从西河出塞，马通率骑兵四万从酒泉出塞，袭击匈奴。

夏季，五月，汉武帝下诏大赦天下。

匈奴单于得到汉朝大举出兵的消息，便将全部辎重向北转移到郅居水；左贤王驱赶他管辖的匈奴民众渡过余吾水，迁移六七百里，到兜衔山居住；单于亲自率领精兵渡过姑且水。商丘成率兵来到，走捷径追击匈奴，但未见匈奴人踪迹，撤兵而还。匈奴方面派遣大将与李陵一起率领骑兵三万余人追击汉军，双方转战九日，来到蒲奴水，匈奴军作战失利，退兵而去。马通部队来到天山，匈奴方面派大将偃渠率领骑兵二万余人拦截汉军，见汉军兵力强盛，只得退走。马通率领的汉军既没受什么损失，也没有什么收获。这时，汉朝怕车师国出兵阻截马通军，派开陵侯成娩率领楼兰、尉犁、危须等六国军队共同包围车师，将车师王及其民众全部俘获后返回。贰师将军李广利率兵出塞，匈奴方面派右大都尉与卫律率领骑兵五千在夫羊地区的句山的狭道上拦击汉军，李广利打败匈奴军，乘胜追击败兵到范夫人城。匈奴军奔逃，不敢再抗拒汉军。

当初，李广利出塞时，丞相刘屈牦为他祭祀路神送行到渭桥。李广利说：“希望您早日奏请皇上立昌邑王为太子。如果昌邑王能即皇帝位，您以后还有什么可忧虑的呢？”刘屈牦应诺。昌邑王刘为李广利的妹妹李夫人所生，李广利女儿又是刘屈牦的儿媳妇，所以二人都希望立昌邑王为太子。就在这时，内者令郭穰向朝廷告发说：“丞相夫人诅咒皇上，又与贰师将军一起祈祷神灵，要让昌邑王为帝。”汉武帝命人调查属实，定为大逆不道之罪。六月，汉武帝下令逮捕丞相刘屈牦，将他放在装载食物的车上游街示众，然后押往长安东市腰斩，刘屈牦的夫人和儿子在华阳街斩首后悬首挂头颅示众；李广利的妻子儿女也被逮捕。李广利听到这一消息后，忧愁惊恐。一位因避罪而从军的幕僚胡亚夫劝说李广利道：“将军的夫人和家属都已被逮捕下狱，将军若是回去，稍不如皇上之意，就等于自投罗网。那时候，郅居水以北，可以再得见吗？归降匈奴就不可能了。”李广利于是狐疑不定，但仍然希望能够深入匈奴腹地立功，则皇上或许还能回心转意，于是率军继续北进至郅居水畔。匈奴军已然退去，李广利命令护军将领率骑兵二万渡过郅居水，与匈奴左贤王、左大将率领崐的二万骑兵遭遇，双方交战一日，汉军杀死左大将，匈奴兵死伤甚众。汉军长史与决眭都尉辉渠侯商议道：“贰师将军已怀有二心，却想将全军置于危险境地，以求自己建立功绩，恐怕一定要失败。”于是二人合谋共同将李广利擒住。李广利听到消息后，将长史处斩，率兵退至燕然山。单于知道汉军已疲劳不堪，便亲率骑兵五万拦击李广利，双方都伤亡惨重。入夜后，匈奴派人在汉军前进的路上挖了一条深达数尺的濠沟，然后在汉军背后发动猛烈攻击，汉军大乱，李广利于是投降。单于平时早就听说李广利是汉朝大将，便将女儿嫁给李广利为妻，对他的尊宠在卫律之上。汉武帝听说李广利投降匈奴，便将其满门抄斩。

秋季，发生蝗灾。

九月，原城父县令公孙勇与其门客胡倩等谋反。胡倩假称自己是光禄大夫，奉命缉捕盗贼。淮阳太守田广明发觉有诈，派兵将胡倩逮捕处死。公孙勇身穿绣衣，乘坐四匹马拉的车来圉县，被圉县守尉魏不害等杀死。汉武帝封魏不害等四人为侯。

官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发的，经过调查发现多为有不实。此时汉武帝也颇知太子刘据是因被江充逼迫，惶恐不安，才起兵诛杀江充，并无他意，正好守卫汉高祖刘邦祭庙的郎官田千秋又上紧急奏章，为太子鸣冤说：“作儿子的擅自动用父亲的军队，其罪应受鞭打。天子的儿子误杀了人，又有什么罪呢！我梦见一位白发老翁，教我上此奏章。”于是汉武帝霍然醒悟，召见田千秋，对他说：“我们父子之间的事，一般认为外人难以插言，只有你知道其间的不实之处。这时高祖皇帝的神灵派您来指教于我，您应当担任我的辅佐大臣。”立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾在泉鸠里对太子兵刃相加的人，最初被任命为北地太守，后也遭满门抄斩。汉武帝怜惜太子无辜遭害，便特修一座思子宫，又在湖县建了一座归来望思之台，天下人听说这件事后，都很悲伤。

四年(壬辰，公元前89年)