凉州军阀董卓因为立下了救驾大功而迅速掌权，此后擅行废立，废刘辩为弘农王，改立陈留王刘协，是为汉献帝。此举激化了汉朝官僚内部矛盾。初平元年（190年），各地州郡官僚开始讨伐董卓。从此，汉廷的中央集权制度崩溃。从此，军阀四起，天下大乱。
初平三年（192年），董卓被部将吕布诛杀，军阀割据完全表面化，逐渐形成了把持中央的曹操；位于河北的袁绍；位于淮南的袁术；位于江东的孙权；位于荆州的刘表；位于益州的刘璋等势力。其中曹操“挟天子以令诸侯”，以汉朝丞相的名义讨伐各路军阀，在官渡之战中消灭了袁绍军的主力，同时架空汉室权力，汉献帝此时已是有名无实的统治者。建安十三年（208年），曹操在赤壁之战中被孙刘联军击败。天下三分之势逐渐形成。
建安二十五年（220年）正月，曹操死后，其子曹丕袭位魏王，十月逼迫献帝让位，改国号为魏，东汉灭亡。章武元年（221年），刘备在蜀地宣布继承汉朝法统，建立了沿用汉国号的政权，史称蜀汉。
秦末天下大乱，中原战乱不休，致使河套为匈奴所据，南越、闽越、黔中等地相继独立，西南地区随着秦朝的解体，已经在云贵高原设置的行政机构也撤到四川盆地，西汉初期一直未能恢复。
到汉武帝时期，经过近七十年的恢复和发展，汉朝的经济实力已有很大增强，粮食和物资的储备相当充足。特别是在景帝前元三年（前154年）平息七国之乱后，中央集权大大加强，基本消除了内部分裂的威胁。恢复秦朝疆域，进一步对外开拓的条件已经成熟了。
武帝于元朔二年（前127年）派卫青北击匈奴，收复河套置朔方郡、五原郡；元狩二年（前121年），霍去病出陇西击灭居于河西走廊的匈奴部落，以其地设武威郡、酒泉郡，后又分出张掖郡、敦煌郡；元鼎六年（前111年），攻灭南越国并进占海南岛，于该地设设南海、苍梧、郁林、合浦、交址、九真、日南、珠厓、儋耳九郡，又平西南夷设武都、牂柯、越巂、沈黎、文山五郡。元封二年（前109年），吞并滇国置益州郡，将西南边境推至哀牢山和高黎贡山；元封三年（前108年），灭亡卫满朝鲜，设乐浪、临屯、玄菟、真番四郡，自此奠定汉地基本范围；太初三年（前102年），又修建外长城之光禄塞、居延塞，将北疆推进至戈壁沙漠一带。汉宣帝神爵二年（前60年），在西域乌垒城置西域都护府，正式将西域纳入版图。
汉昭帝始元五年（前82年），将真番郡、临屯郡并入乐浪郡、玄菟郡；汉元帝初元三年（前46年），放弃珠崖郡、儋耳郡，失去对海南的控制。
东汉相对西汉国土略有变化，光武帝建武六年（30年），弃岭东地；建武二十四年（48年）南匈奴内附并被安置于河套，又于建武二十六年（50年）置匈奴中郎将监护南匈奴降部；建武二十五年（49年），乌桓率众内属，内迁于北部诸郡之北，又置护乌桓校尉监护乌桓并兼领鲜卑；汉明帝永平十二年（69年），哀牢内附，以其地置永昌郡，西南得以扩充至今缅甸北部。
东汉疆域极盛时是在汉和帝永元年间，在彻底击败北匈奴“燕然勒功”之后，北方势力已被扫空，而鲜卑、南匈奴皆臣服于汉朝，分别受护乌桓校尉和匈奴中郎将辖制，永元六年（94年）彻底平定西域，西境抵海滨，西域都护府疆域与西汉宣帝时一致。其版图南至交州日南象林县（今越南中部），北括护乌桓校尉府领护鲜卑、乌桓属国领地（今蒙古高原广大地区），西含葱岭以西乌孙、大宛，东及乐浪郡（今朝鲜半岛北部平壤大同江南岸广大地区）的辽阔疆域。
和帝死后，西域发生动乱，直至汉顺帝永建二年（127年）时才得到平定，但乌孙及葱岭以西诸国已脱离汉廷的控制，自此“三绝三通”而终。象林县于永和二年（137年）被林邑割据独立。东汉末年，因“海内虚耗”、人口锐减，曹操放弃定襄、云中、五原、朔方、上郡、北地六郡，并将盘踞于河东的南匈奴分为五部，各设汉官司马兼领之，但汉朝直到灭亡仍保有汉地十三州一部的辽阔疆域。
汉初，在地方施行郡国并行制。最初，刘邦封异姓王七人，后他逐步翦除大部分异姓王，仅留长沙王吴芮。同时大封同姓诸侯，这些王国“大者或五六郡，连城数十，置百官宫观，谮于天子”。地方王国势力的强大导致中央政府所实际控制的区域萎缩。吕后时期，增加外戚诸侯王。到文帝时期又纷纷铲除，增加刘氏诸侯王。但是地方王国势力的膨胀已经对中央政府构成严重威胁。文帝接受贾谊的建议，用分地的方法削弱诸侯的势力。景帝即位后采纳晁错的建议，直接缩减王国的封地，引发诸侯王的强烈反弹，导致七国之乱爆发，但未几就宣告失败。景帝借此缩小各王国的辖地。
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