中兴盛世，不只体现在内部政治经济的和谐与稳定上，在对外关系方面，宣帝朝也颇值得称道。
本始二年（前72），匈奴西攻乌孙，乌孙昆弥（即国王）狂王和汉朝远嫁过去的解忧公主（楚王刘戊的孙女）上书，称愿发精兵5万骑，帮助汉朝打击匈奴。此时还是大司马大将军霍光主政，霍光即派田广明、赵充国等5位将军，发兵15万骑，派校尉常惠持节监督乌孙兵，共同出击。
次年（前71）正月，汉军从长安开拔，匈奴人听到这个消息大为恐慌，老弱妇孺都驱赶着牲畜远远逃开。到当年的五月，汉军共斩俘匈奴3000余人，乌孙兵杀至匈奴右谷蠡王庭，俘斩匈奴大小王、都尉以下4万人，虏获牲畜70余万头。
常惠从西域上书，说龟兹国（西域古国，在今新疆库车附近）曾经杀害汉朝校尉赖丹，请求趁机进军报仇。霍光允许他便宜从事，于是常惠征发西域各国兵马4万,并乌孙兵7000,从三路杀往龟兹。龟兹王害怕了，急忙绑起杀害赖丹主谋、贵人姑翼，来到常惠军中请降，常惠不为已甚，斩姑翼一人而还。
当年冬季，汉军一离西域，匈奴人又杀了回来，再度侵入乌孙疆土，但在回军时赶上天降大雪，人民、牲畜冻死了十分之九。乌孙趁机联络丁零、乌桓等国合攻匈奴，斩首数万级。汉军也从南方策应进军，分三路北伐，俘虏数千人。匈奴遭此重创，依附它的各国纷纷叛离，从此一蹶不振。
武帝以前，往往是匈奴寇边，汉朝被迫用和亲之策来保证边境的安宁；武帝后期到宣帝朝，双方均取守势，依旧和亲，不敢轻易开战。而从宣帝以后，匈奴基本上已无力南下侵扰，往往主动提出和亲，为的是保证汉军不再出塞远征——攻守形势有了极大的逆转。
地节二年（前68）四月，因为匈奴已不再入侵，汉朝准备拆除塞外各座堡垒，以使附近百姓得以休息。匈奴单于闻讯大喜，召集各部显贵，商议向汉朝求取公主和亲之事。左大且渠阴谋破坏，准备率领本部骑兵南犯，被汉朝发觉，及时调动边境守军，屯扎在要害地区。匈奴兵吓得匆匆回头，逃归漠北。
地节四年（前66），车师（西域古国，在今新疆维吾尔自治区吐鲁番附近）和匈奴联姻，请求匈奴卡断乌孙和汉朝的联络通道。汉侍郎郑吉和校尉司马熹及时作出反应，征发西域诸国兵万余人，并汉朝屯田士兵1500人进攻车师。车师国破，国王逃往乌孙，郑吉留下300名汉军在车师境内屯田，作为监视。
到了元康二年（前64），匈奴进攻车师的屯田汉兵，郑吉率渠犁（西域古国，在今新疆轮台东）屯田兵7000余人往救，被匈奴人包围。宣帝派常惠统领张掖、酒泉的骑兵前往车师，击退匈奴兵，安全救出郑吉等人。
前此的元康元年（前65），莎车前国王的兄弟呼屠征联络别国势力谋反，杀害莎车王万年和汉朝使节奚充国，自立为王，并煽动西域南道诸国背叛汉朝。卫侯冯奉世征发南北道诸国兵马1.5万，进攻莎车，呼屠征兵败自杀。
根据以上这些事件可以看出，汉朝当时在西域扮演的，是类似国际宪兵的角色，然而并没有一个完善的机构来执行相关任务，有事才征发附近国家的士兵和屯田汉军，往往缓不济急。因此，神爵二年（前60）创立了西域都护，是为汉朝对西域各国进行监管的开始。
当年九月，匈奴日逐王率众降汉，骑都尉郑吉征发西域各国兵马5万前往接应。郑吉自此威震西域，遂受命保护车师以西的西域北道地区，称号为“都护”，把都护府设置在乌垒城（今新疆维吾尔自治区轮台东）。与之相对应的，匈奴把原设置在西域的僮仆都尉一职废除了。
西域都护建立起来以后，汉朝在西域的势力得以稳固。都护府负责督察乌孙、康居等西域36国，宣扬汉朝的号令，保证商路的畅通，维持国与国间的秩序，防止匈奴再来侵扰。这是新疆地区并入中国版图的开端。
匈奴曾于元康四年（前62）联络羌人以夹击汉朝，被名将赵充国讨平，此次更失去西域，国势遂更为衰弱。神爵四年（前58）十月，匈奴爆发内乱，诸王争立，呼韩邪单于稽侯狦攻杀前单于握衍朐鞮，随即又被屠耆单于薄胥堂击败逃走。
第二年，自称单于者竟有5人。汉朝有大臣请求趁机进攻匈奴，但御史大夫萧望之却持反对意见，他说，“乘乱幸灾，彼必奔走远遁，不以义动，兵恐劳而无功”，主张遣使
吊问，辅其微弱。宣帝采纳了他的建议。
五凤二年（前56）八月，匈奴屠耆单于的少子右谷蠡王姑瞀楼头因为在夺权战争中失败，逃奔汉朝。十一月，呼韩邪单于左大将乌厉屈父子率众数万降汉。到了甘露元年（前53）正月，势力最大的呼韩邪、郅支两位单于先后送儿子到汉朝做人质，请求称臣。甘露三年（前51）正月，呼韩邪亲自来到长安朝贺，二月，宣帝派6万骑兵护送呼韩邪归国，与呼韩邪对立的郅支单于闻风远遁。
在对汉朝献媚的比赛中，无疑呼韩邪是稳占上风。甘露四年（前50）正月，两位单于俱遣使臣到长安来献礼，汉朝唯独优待呼韩邪的使者。此后六、七十年间，汉朝与匈奴间的战争逐渐平息，文化交流日益频繁，一直要到东汉建立，匈奴分裂为南北两部，北匈奴才再次成为严重边患。
疆域的扩大，国威的远布，固然是宣帝朝的光荣，但当时政局上出现的某些弊病，也预示着盛世已经接近了尾声。宣帝为了打击霍氏的势力，任用外戚许氏和史氏，开其后外戚擅权之风。宣帝到后期也逐渐放弃了节俭的习惯，“颇修汉武故事，宫室、车服盛于昭帝”。他还重用宦官，司隶校尉盖宽饶上书谏阻，宣帝大怒，逼其自杀，这说明他鼓励直言进谏的作风至此也荡然无存了。
当然，最致命的还是他没有教育好儿子，太子刘奭始终不改对儒学的迷信。黄龙元年（前49）十二月，宣帝在未央宫驾崩，太子继位，是为孝元皇帝——“昭宣中兴”终于走到了尽头。