前 141 年，景帝驾崩，汉武帝刘彻继位，时年十五岁，实际权力掌握在太皇太后窦氏手中。次年开始以“建元”为标识年份的称号，成为中国历史上最早的年号（有学者依据史料，认为这个年号是后来追加的，但也有学者认为当时已经正式使用“建元”年号来纪年）。
武帝自幼体格健壮，精力充沛，非常喜欢打猎，亲政之前就热衷于微服出宫，率领大队少年卫士在长安郊外驰骋，射猎禽兽，足迹遍及昔日上林苑全境。有时走得太远，当日来不及回宫，只能临时搭建营帐住宿。一路上人马奔腾，难免会踩踏衣田，骚扰村庄，关中百姓大为不满，痛骂不已，还向杜县的县令告状。这位县令胆子很大，便亲自带人拦路，扣留武帝一行，严加责备，随行的侍卫暗中出示宫廷信物才得以脱身。事后武帝倒也没有怪罪县令，但觉得很没面子。
建元三年（前 138 年），武帝下旨征用秦代旧苑的所有土地，对农户进行补偿，就此将上林苑重新收归皇家产业，并且大加拓展。东方朔曾经上书力谏，请求不要将这片最肥沃的农桑之地变成皇家专享的游乐苑圃，还拿商纣王和秦始皇作为反面例子，希望皇帝引为教训。但是武帝决心已下，不予理睬。
建元六年（前 135 年）五月，窦太后逝世，武帝全面掌控朝政，颁布了一系列重大法令，采用“推恩”的方式以削弱诸侯势力，设置十三州部刺史以加强中央集权，建立察举制以选拔人オ，由朝廷垄断铸钱、冶铁、煮盐、酿酒等行业，并接受董仲舒的建议，独尊儒术，在长安设立最高学府太学。汉廷对上林苑的建设也投入了更多的人力和物力。
此后经过多年经营，包含众多河池、林地、田野和宫观建筑的上林苑，重新在关中平原上铺展开来，南至终南山北至九峻山，东至灞水，西至黄山、田溪，所占地域方圆四百多里，明显超出秦代上林苑的范围，达到空前绝后的极盛之境。苑中放养更多的野生禽兽，为加强管理，分别设有虎圈、狼圈、狮圈、豹圈、犀圈、象圈，平时既可观赏，又可作为射猎的对象。有时特意在兽圈中举行类似古罗马竞技场那样的斗兽表演，由勇猛的武士当场与虎豹熊狼搏斗，或手缚野羊。
随着丝绸之路的开拓和对岭南之地的征讨，汉朝对外交流更加频繁，城外各国进贡许多特产的珍禽异兽，包括来自九真（今东埔寨）的麒麟、大宛（今中亚费尔干纳盆地）的宝马、黄支（今印度东南海岸）的犀牛、条枝（今西亚两河流域）的怪鸟，都蓄养在上林苑中。
西汉历任皇帝从即位之初就开始在长安远郊建造自己未来长眠的皇陵，并设置陵邑，迁移大量的贵族、富户入住。武帝修的是茂陵，位于渭水北岸，陵邑规模最大。茂陵移民中有一位名叫袁广汉的富商，拥有百万财产，家里童仆达八九百之众。他在北邙山下构筑了一个私家园林，东西四里，南北五里，完全可以与皇家苑囿媲美。园中堆叠石头假山，高十几丈，连延好几里，又引水形成激流，萦回流淌。广泛种植奇树异草，还买了许多珍奇的动物养在山水林木之间，包括白鹦鹉、紫鸳鸯、牦牛和青兕（一种犀牛）等。后来袁广汉因罪被处死，这座园林被抄没入官，所有的鸟兽和花木都移入上林苑。
每年的秋冬季节，武帝都要在上林苑举行盛大的狩猎活动，千骑万乘，旌旗飘扬，钟鼓齐鸣，如雷奔电击，山林震颤，河流激荡，百兽惊逃，场面十分壮观。
汉朝自开国以来，面临最大的外患就是北方草原上日益强大的匈奴。匈奴人是游牧民族，擅长弓马，战斗力极强，经常进犯长城以内的汉朝州郡，屠杀抢掠，造成严重的破坏。前 200 年，汉高祖曾经起三十多万大军征讨匈奴，却在白登山（今山西大同东北马铺山）被围，差点不得幸免。此后，汉廷被迫实行和亲政策，将宗室之女嫁给匈奴最高统治者单于，并赠与大量的绵绸、酒食，以换取短暂的和平。但匈奴仍经常骚扰边界，其前锋部队一度攻到甘泉官附近，威胁长安。
武帝登基时，西汉立国己经六十多年，从秦末战乱中完全恢复，经济繁荣，积累了丰厚的物资基础。经过一段时间的精心备战后，武帝决心放弃备受屈辱的和亲政策，对匈奴展开大规模反击。
汉军原本以步兵为主，行动迟缓，与来去如风的匈奴骑兵交战，极为不利。就在开始扩建上林苑的同一年，武帝从民风彪悍的陇西、天水、安定、北地、上郡、西河六郡选拔雄壮骁勇的良家子弟，组建以骑兵为主的期门卫士，将苑中的射猎活动当成军事演习，严格训练将士们骑马、射箭、格斗以及野外生存、辨识方向的技能，以适应未来的草原作战。从此以后，上林苑被赋予重要的军事意义，成为武帝训练骑兵的基地，绝非是单纯的游观射猎之地。苑中的虎狼成为匈奴人的替身，大量死于弓箭和刀斧之下。很多期门卫土从这里走上战场，成为卓越的将领，在讨伐匈奴的战争中建立不朽的功勋。
一代名将卫青本是平阳公主府上的骑奴，因为姐姐卫子夫受到武帝宠幸，被调入上林苑当差，后担任建章监、侍中将近十年，一直跟随武帝左右，参与苑中的骑射训练。元光六年（前 129 年），卫青被封为车骑将军，作为四路统帅之一，首次率领一万骑兵出击，深入大漠腹地，直捣匈奴人祭天圣地龙城，获得大捷。之后又多次挥师北征，攻取黄河以南的河套地区，斩首甚多，虏获无数，于元朔五年（前 124 年）被封为大将军，位极人臣。
西汉另一位名将霍去病是皇后卫子夫的妹妹卫少儿所生，是卫青的外甥，也是武帝的外甥，精通骑射，曾经在上林苑扈从武帝游猎。元朔六年（前 123 年），年仅十七岁的霍去病被武帝封为嫖姚校尉，随大将军卫青出征，率八百铁骑纵横漠南，歼敌两千余人。
前 122 年的深秋，武帝在苑囿行猎时捕获一只独角五蹄的怪兽，为此改元“元狩”。这似乎是一个好兆头，预示汉朝将在战争中取得更大的胜利。元狩二年，骠骑将军霍去病率大军进击河西，以闪电突袭的方式连续击败匈奴各部，夺取祁连山，战果辉煌。元狩四年，卫青、霍去病各率骑兵五万，分路出定襄和代郡，攻击漠北，大破敌军。经此一战，匈奴元气大伤，单于王庭被迫远迁，汉朝边境获得长久的安全保障。
“飞将军”李广率领一支人马跟随卫青出战，因为迷路而失去战斗的机会，没有取得任何功劳。卫青派长史前去质询，心高气傲的李广认为这是对自己的污辱，拔刀自刎。李广幼子关内候李敢是霍去病的部下，闻知父亲的死讯，找卫青问罪，并出手打伤了卫青。卫青为人厚道，没有声张，但霍去病却不肯善罢甘休，在甘泉富的一次射猎活动中，暗中放箭射死李敢。武帝一向偏袒霍去病，不子追究，对外谎称李敢是被鹿顶死的。
太初元年（前 104 年），武帝又在上林苑设立建章营骑，专门负责建章宫的宿卫，不久更名为“羽林骑”，取“为国羽翼，如林之盛”的意思。羽林骑有两千五百名精锐将士，除继续从陇西等六郡选拔之外，有很多是在征伐匈奴战争中牺牲的烈士遗孤。按《史记·天官书》的记载，北宫玄武之南有众星分布，拱卫天宫，号称“羽林天军”，羽林骑的职责与之完全相同。