宣帝时期，随着汉朝国力的增强，匈奴力量一再削弱，汉匈关系发生了历史性的变化。宣帝神爵二年（前60年）以后，匈奴统治集团内部出现权力之争，初有“五单于争立”，互相不容，屠戮兼并，西汉“单于天降”瓦当最后形成呼韩邪单于与郅支单于的对立。在汉元帝期间，在汉匈关系上出现了两件大事，一件是陈汤平灭郅支，一件是昭君出塞。
平灭郅支
汉元帝刚即位的时候，匈奴郅支单于自以为与汉朝距离遥远，加之怨恨汉朝支持他的仇敌呼韩邪单于，就有与汉绝交之意，并且与康居王勾结起来，在都赖水（今恒逻斯河）畔兴建了一座郅支城（今江布尔），作为自己进一步扩张势力的基地。郅支将势力向汉西域发展，直接威胁汉朝在西域的统治。建昭三年（前36年），新一任西域太守对匈奴发动攻击，获得大胜。
至此，汉朝最后消灭了虎视西域的敌对势力。以后近40年，西域维持着和平状态，中西交通也畅通无阻。陈汤为官虽有不少劣迹，但他矫诏兴兵、平灭郅支的功绩还是应当肯定的。
昭君出塞
郅支被杀之后，呼韩邪单于既为消灭政敌而高兴，又畏惧汉朝的威力。竟宁元年（前33年）正月，呼韩邪单于第三次入长安朝汉，并表示愿娶汉女为阏氏。元帝也愿意用婚姻的形式巩固汉、匈之间的友好关系，就以宫女王嫱配他为妻。
王嫱，字昭君，西晋时因避司马昭讳，改称明君，南郡秭归（今属湖北）人。昭君虽然仪容雅丽，举止端庄，但因未受皇帝封诰，所以在后宫的地位极其卑微，不受重视。如同当时绝大多数宫女一样，昭君“入宫数岁，不得见御，积悲怨”。但当历史提供机会时，她主动请行，自愿远嫁匈奴。在临行前举行的欢送仪式上，元帝见昭君丰容靓妆，光彩照人，顾影徘徊，竦动左右，不禁大为悔恨，很想把她留下，但又不便失信，只得让她随呼韩邪出塞而去。
昭君这位胆识不凡的汉家宫女，为促进汉匈民族团结，自愿出塞履行政治联姻，成为名垂青史的杰出妇女。汉元帝认为这次政治联姻可使“边陲长无兵革之事”，特意把年号改为“竟宁”，意即边境安宁之意。呼韩邪单于封王昭君为“宁胡阏氏”，“宁胡”意即“匈奴得到昭君，国家就安宁了”。从此，汉匈长期战争状态宣告结束，双方一直保持着友好的关系。长达150年的汉匈冲突，犹如一曲雄壮的交响乐，而昭君出塞则好似一个完美的“休止符”。
昭君的事迹在正史记载中仅有几十个字，但在稗官野史中的记载却非常多，而且更富于传奇色彩。《西京杂记》中有这样一段传说：“元帝后宫既多，不得常见，乃使画工图形，按图召幸之。诸宫人赂画工，多者十万，少者亦不减五万，独王嫱不肯，遂不得见。”由于画工毛延寿的卑劣行径，误了昭君的青春，害得她背井离乡，远嫁异域。
另据东汉文学家蔡邕《琴操》记载，昭君嫁到匈奴后，心思不乐，作下了一首诗歌，后人称为《昭君怨》，其中有这样的诗句：“翩翩之燕，远集西羌。高山峨峨，河水泱泱。父兮母兮，道里悠长。呜呼哀哉，忧心恻伤。”这首诗很可能是伪托之作。又传，昭君还写了一封信给元帝。信的内容如下：“臣妾幸得备身禁脔，谓身依日月，死有余芳，而失意丹青，远窜异域。诚得捐躯报之，何敢自怜？独惜国家黜陟，移于贱工，南望汉阙，徒增怆结耳！有父有弟，惟陛下少怜之。”据说元帝得书，大为动情，转而恼恨画工从中作梗，穷究其欺君之罪。画工毛延寿等五人“同日弃市”，一时京城画工几乎绝迹。王安石在他的《明妃曲》中写道：“归来却怪丹青手，入眼平生几曾有？意态由来画不成，当时枉杀毛延寿。”他一反以往归咎毛延寿欺君的正统观念，而把批判的锋芒指向了汉元帝。
汉代出塞和亲的女子比比皆是，而且大多是金枝玉叶的宗室公主。但她们的为人行事，很快都随着历史的长河流逝了，唯独“良家子”出身的昭君却流芳千古，人们怀念不已。1963年，董必武同志作了一首咏昭君的诗，镌刻在昭君墓前的石碑上：“昭君自有千秋在，胡汉和亲识见高。词客各摅胸臆懑，舞文弄墨总徒劳。”不仅肯定了昭君出塞的历史意义，也肯定了汉元帝的历史眼光。
【元帝驾崩】
王昭君出塞不久，汉元帝就病入膏肓。竟宁元年（前33年）五月，元帝驾崩，享年43岁，在位15年，刘奭死后谥曰：“孝元”皇帝，葬于渭陵（今陕西咸阳城北5公里处渭城区周陵乡新庄村）。六月，皇太子刘骜即皇帝位，是为孝成帝。公元4年，刘衎尊其庙号为“高宗”。
【后妃子女】
皇后
孝元王皇后王政君
妃嫔
傅昭仪 定陶太后，生平都公主、定陶共王
冯昭仪 生中山孝王
卫婕妤，生平阳公主
司马良娣（汉元帝为太子时妃）
子
汉成帝 刘骜
定陶共王 刘康
中山孝王 刘兴
女
平都公主
平阳公主
【后人评价】
汉班固
臣外祖兄弟为元帝侍中，语臣曰：元帝多材艺，善史书。鼓琴瑟，吹洞箫，自度曲，被歌声，分节度，穷极幼眇。少而好儒，及即位，征用儒生，委之以政，贡、薛、韦、匡迭为宰相。而上牵制文义，优游不断，孝宣之业衰焉。然宽弘尽下，出于恭俭，号令温雅，有古之风烈。
——《汉书·元帝纪》
宋洪迈《容斋随笔——汉唐三君知子》
英明之君，见其子有材者，必爱而称之。汉高祖谓赵王如意类己，欲以易孝惠，以大臣谏而止。宣帝以淮阳王钦壮大，好经书、法律，聪达有材，数嗟叹曰：「真我子也！」常有意欲立为嗣，而用太子起於微细，且早失母，故弗忍。唐太宗以吴王恪英果类我，欲以代雉奴。其后如意为吕母所戕，恪为长孙无忌所害，钦陷张博之事，殆於不免。此三王行事无由表见。然孝惠之仁弱，几遭吕氏之覆宗；孝元之优柔不断，权移於阍寺，汉业遂衰；高宗之庸懦，受制凶后，为李氏祸尤惨。其不能继述固已灼然。高祖、宣帝、太宗盖本三子之材而言之，非专指其容貌也，可谓知子矣。彼明崇俨谓英王哲即中宗也。貌类太宗，张说谓太宗画像雅类忠王，即肃宗也。此惟取其形似也。若以材言之，中宗之视太宗，天壤相隔矣！汉成帝所幸妾曹宫产子，曰：「我儿额上有壮发，类孝元皇帝。」使其真是孝元，亦何足道？而况於婴孺之状邪！