汉代是中医学的奠基时期，出现了数种中医学着作，成为后世中医学的基本文献。《黄帝内经》是中国现存最早的医书，包括《素问》《灵枢》两部分。《素问》阐述生理病理现象和治疗原则，《灵枢》记述针刺法。东汉成书的《神农本草经》是中国第一部完整的药物学专着，收录了365种药物。
西汉名医淳于意善于诊病，《史记》记载了他诊治二十余例病人的情况，是中国最早的病案。
东汉末年，张仲景博采众方撰写《伤寒杂病论》，后人析分为专门诊治伤寒病的《伤寒论》和诊治诸种杂病的《金匮要略》两部。张仲景被后世誉为“医圣”。华佗发明麻沸散用于外科手术，是世界上最早采用全身麻醉的医生。此外，血液循环也是首先在此时发现。
汉朝军制
汉代军队编制为伍长、什长、都伯、百人将、牙门将、骑督、部曲督、别部司马（军司马）、都尉（骑都尉）、校尉（但五校几乎成清贵武职，偏文）、中郎将（五官、左、右、虎贲中郎将类同五校）、裨将军、偏将军、杂号将军（裨将军、偏将军为杂号将军之末，与两字将军地位有别）、四镇、前后左右将军、四征将军（征东、征西、征北、征南）、卫将军、车骑将军、骠骑将军、大将军。
汉朝早期实行征兵制，男子二十三岁起至五十六岁之间，服役两年。一年保卫京师，名为正卒；另一年戍守边郡，叫做戍卒。正卒分为两支，一支为南军，守卫宫城；另一支为北军，保卫首都其他地区。
汉朝建立之初，漠北的匈奴由冒顿单于统治，国力强盛，多次侵犯边境。汉七年（前200年）冬，刘邦亲率大军北上，匈奴军队佯装后退，汉军则迅速北进到平城白登山。却在白登被冒顿单于的四十万精锐骑兵包围。刘邦与汉军被包围七天七夜。最后刘邦贿赂匈奴阏氏才得以逃出重围。由于长年战乱，国家初定，经济残破，汉朝采取和亲政策力求与匈奴暂时维持和平。
到了景帝时期，汉朝一方面继续和亲，另外也在边境进行屯田移民，在国内则实行复马令来增加马匹，加强士卒训练并大量制造兵器，这些都是预备反抗的准备。汉武帝统治时期，以卫青、霍去病为首的将领对匈奴进行三次大规模战争，汉朝得以收复河套并占据河西走廊，切断了匈奴与西羌的关系，为汉与西域之间开辟通道，而匈奴则北徙漠北，匈奴帝国从此逐渐走向衰亡，匈奴威胁基本解除。
后来，在汉匈大战中战败的匈奴分裂，其中一部首领呼韩邪单于主动要求与汉称臣，汉元帝以王昭君嫁与呼韩邪单于，是为昭君出塞，北匈奴单于被陈汤于康居斩杀，陈汤上疏称“敢犯强汉者，虽远必诛”。到了东汉时期，实力大损的匈奴由于天灾和内乱又被分为南、北匈奴两部。其中南匈奴立呼韩邪之孙比为单于，与汉朝关系友好。北匈奴立蒲奴为单于，在汉明帝时期一度侵扰汉朝边境，后被击退。章和元年，北匈奴为鲜卑所破，单于被杀，其中五十八部降汉。章和二年（88年），汉车骑将军窦宪大破北匈奴，北单于遁逃，窦宪在燕然山刻石纪功而还。此后，北匈奴退出漠北，被迫向西迁徙。
西域早期指东起玉门关、西抵葱岭的地区，后泛指包括今新疆与葱岭以西地区。西汉前期，西域诸国皆臣属于匈奴，到了汉武帝时期，于建元三年（前138年）派张骞出使大月氏以联合夹击匈奴。张骞在路上一度被匈奴扣押，并在匈奴娶妻，十馀年后逃出，经大宛等国到大月氏，但未能取得夹击匈奴的答复。后来张骞东返，又被匈奴扣押。直到元朔三年（前126年）才返回长安，回来时只剩他和随从堂邑父两人，他的匈奴妻子也一并来到长安。
元狩四年（前119年），汉武帝第二次派张骞出使西域，约乌孙共击匈奴。虽然张骞未能说服乌孙国王夹击匈奴，但是张骞却与其使节先后游历大宛等国，后来亦由各国使节陪同，返回长安，从此以后，汉朝与匈奴反复在西域地区争夺。元封六年（前105年），汉武帝以细君公主与乌孙和亲。细君公主死后，汉又在太初四年（前101年）以解忧公主续嫁。同年，汉朝大破大宛，西域南道各国都转投汉朝。汉武帝在乌垒设使者校尉，又在渠犁屯田。到汉宣帝神爵二年（前60年），又驱逐匈奴驻在西域的僮仆都尉，控制西域北道，设立西域都护，总管西域事务，还在乌孙国都赤谷一带屯田。元帝时，又增戊己校尉，在车师前王庭屯田。西汉末年，西域分为五十五国。
新莽时期，王莽贬去西域各国国王的王号，降为侯，西域与中原王朝关系趋紧。东汉永平十六年（73年）汉明帝派遣窦固入伊吾屯田驻兵，次年在乌垒重设西域都护，但好景不长，永平十八年（75年）六月，西域都护府被焉耆、龟兹攻陷，汉章帝继位后罢免西域都护，并诏令吏士回国，而当时身为军司马班超选择留在西域招抚诸国。永元三年（91年），汉和帝任命班超为西域都护，至永元六年（94年）七月班超大破焉耆、尉犁，彻底收复西域。
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