漢武帝的一生雄才偉略，一共有六個兒子。孩子雖不算多，但是他選定繼承人頗費了一番工夫。
劉據是漢武帝的嫡長子，因為他的生母是衛皇後，故稱衛太子。漢武帝中年得子喜上眉梢，冊封劉據生母衛夫人為皇後。劉據7 歲時，漢武帝舉行了盛大的典禮，立劉據為太子。
母憑子貴，衛氏家族也因此受到寵信，衛青被擢升為太中大夫，後又被拜為車騎將軍。衛青先後7 次出擊匈奴，均大獲全勝，並收複河南地，置朔方郡，同被封為長平侯、大將軍、大司馬，位居丞相之上。
太子劉據20 歲的時候，漢武帝為他在東宮建造了一座博望苑，供太子結交賓客，讀書學習。漢武帝為培養太子花了一翻心血，對他寄予太多厚望。他希望太子建立起博學的聲望，有聲望才有威信，有威信將來好繼承皇位。
而太子劉據性情溫和，漢武帝曾不無遺憾地說，太子不如自己有才幹。實際上，這僅僅是太子和自己風格不同，漢武帝采用董仲舒“罷黜百家，獨尊儒術”的建議，以儒生治國，加強專製統治，所以任用酷吏。
當時著名的酷吏不少，有趙禹、張湯、王溫舒、杜周等人，造就了不少冤案。而太子平反了不少冤案。在漢武帝的強悍麵前，太子的仁慈多少有些刺眼。但太子的行為符合律法，且行事嚴謹寬厚，漢武帝還是打心眼裏喜愛太子的。
征和二年（前91 年），漢武帝在巫蠱之亂中被江充、蘇文等佞臣蒙蔽，太子起兵反抗後兵敗逃亡，而後太子因拒絕被捕受辱而自盡。這時的漢武帝已經是將近七旬的老人，他不得不為自己的後事考慮，隻能從眾多的皇子中再選立太子。
劉閎是漢武帝的二子，大約出生在元朔六年（前123 年）。劉閎的母親王夫人得到漢武帝的寵愛，因此，劉閎也受漢武帝的愛幸。
元狩六年（前117 年），由大司馬霍去病帶頭，禦史兼尚書令霍光上奏，眾臣上疏請漢武帝封皇子劉閎、劉旦、劉胥三人為諸侯王，諸侯王必須“就國”。四月，漢武帝立次子劉閎為齊王，立三子劉旦為燕王，四子劉胥為廣陵王。
元鼎六年（前111 年），齊國的丞相也即齊王劉閎的太傅卜式前往長安擔任禦史大夫一職。第二年的元封元年（前110 年），即封王第八年，劉閎去世，諡號為齊懷王。因其年少，沒有子嗣，死後封國廢絕，變為郡。
天下人都說齊地不宜封王。
劉旦是漢武帝的第三子。元狩六年（前117 年）被冊封為燕王。燕國地處西漢北境，緊鄰匈奴，土地貧瘠，民風凶悍，漢武帝以策文詔諭劉旦，勉勵他鎮守邊陲，成為漢朝的藩籬輔翼。
漢武帝時期的郡國製度與漢初不同，經過削藩策、七國之亂和推恩令的多重打擊之後，諸侯王在封國已沒有太多的權力。漢朝皇位傳承遵從周製，作為第三子的劉旦，並不奢望榮登大寶，因而安心為藩王。
他將心思集中於各種學問，率性而學，經書、雜說來者不拒，尤好星曆、數術、倡優、射獵。成年後的燕王“能言善辯，廣有謀略”，喜好招攬遊俠武士。
劉旦得知長兄死訊後，認為自己在父皇剩餘諸子中年紀最大，按次序排下來，皇太子之位置必然歸屬自己。可是，漢武帝卻沒有這個意思。
後元元年（前88 年），漢武帝年邁病重。劉旦派使者來到長安，向漢武帝上書，請求宿衛長安，以備不虞。漢武帝看完信後大怒，立刻把送信的使者斬殺了，而後又以燕王“藏匿亡命之徒、違反漢律”的罪名，削掉其封國三個縣邑，以示懲戒。
漢武帝感歎“生子應置於齊魯之地，以感化其禮義；放在燕趙之地，果生爭權之心”，所以開始厭惡劉旦。
劉胥是漢武帝的第四子。他身材高大，體魄壯健，喜好遊樂，力能扛鼎，空手與熊、野豬等猛獸搏鬥，行為沒有法度，所以最終沒能成為皇位繼承人。
劉髆是漢武帝的第五子。他是漢武帝的寵妃李夫人所生，是貳師將軍李廣利的外甥。天漢四年（前97 年），受封昌邑王。征和三年（前90 年），太子死後第二年，漢武帝命貳師將軍李廣利率領7 萬大軍出攻匈奴。當李廣利離開京城的時候，丞相劉屈氂為他餞行。因為，李廣利的女兒是劉屈氂的兒媳，兩人是兒女親家。
由於前一年爆發巫蠱之禍時，太子劉據被人誣陷而自殺，至今還沒有新立太子。李廣利便想乘機讓自己妹妹李夫人所生的兒子昌邑王劉髆被立為太子，那樣自己自然就成為了國舅，地位將更尊貴，權勢也更大。而劉屈氂不僅身為丞相，還是漢武帝的侄兒，頗得漢武帝的信任。
在李廣利出征前的告別宴上，這對兒女親家為儲君之位空懸打起了主意。李廣利對劉屈氂說：“希望你在當今聖上麵前建議，立昌邑王為太子。昌邑王能夠被立為太子，將來做皇帝，你的相位也就可長保無憂了。”
在這個問題上，二人利益完全一致，劉屈氂自然滿口答應，答應尋找機會，向漢武帝建言。
李廣利派遣屬國胡騎2000 人與匈奴軍接戰，匈奴敗退，死傷者數百人。漢軍乘勝追擊至範夫人城，匈奴四散奔逃，不敢與漢軍對抗。同年六月，內者令郭穰密告丞相劉屈氂的妻子因為劉屈氂曾多次遭漢武帝責備，便對漢武帝不滿，因而請巫祈禱神靈，詛咒漢武帝早死。
同時密告劉屈氂與李廣利共同向神祝禱，希望昌邑王劉髆將來做皇帝。漢武帝得知後，便下令主管司法的廷尉查辦，認定劉屈氂大逆不道，處以腰斬，並用車裝著屍體在街上遊行示眾。將劉屈髦的妻兒在長安華陽街斬首。李廣利的妻兒也遭逮捕囚禁。
正在指揮大軍對匈奴作戰的李廣利聽到家中妻兒因巫蠱被捕收監的消息，如五雷轟頂，既憂慮，又害怕，不知如何是好。掾吏胡亞夫勸他投降匈奴。
李廣利心想若投降匈奴，將加速妻兒老小的死亡，情況會更慘，不如立功贖罪，也許有一線希望。因此，李廣利便不根據實際情況，在不了解雙方軍事形勢的情況下，不計及戰略戰術，以數萬漢家兒郎的生命為賭注，盲目進軍，以求僥幸，揮師北進，深入匈奴，直至郅居水。
這時的匈奴軍隊已離去，李廣利又派負責主管軍中監察的護軍率領兩萬騎兵，渡過郅居水，繼續向北挺進，與匈奴左賢王的軍隊相遇，兩軍接戰。漢軍大勝，殺死匈奴左大將及眾多的士卒。長史和決眭都尉煇渠侯商議，李廣利不惜全軍安危以求立功贖罪，恐怕必然招致失敗，便暗中策劃將李廣利扣押起來，以阻止其盲目冒險。
李廣利覺察了長史的策劃，將他斬首。恐怕軍心不穩，發生騷亂，便率軍由郅居水向南撤至燕然山。單於知漢軍往返行軍近千裏，已很疲勞，便親自率領五萬騎兵襲擊漢軍，漢軍死亡甚眾。
李廣利原想冒進，立功贖罪，卻遭此大敗，心情自然更沉重，又憂慮著家中老少的生命安全，而且本來指揮才能就平庸，因此完全失去了兩軍對壘中最必要的警覺性。
匈奴趁漢軍不備，於夜間在漢軍營前悄悄挖掘了一條壕溝，有幾尺深，而後於清晨從後方對漢軍發起突襲。漢軍遭匈奴軍襲擊，想出營列陣抵敵，卻發現軍營前有一條深溝，進退不得，軍心大亂，喪失鬥誌。
再加疲勞，完全失去了抵抗力，遭到慘敗。這次戰敗，是漢武帝時期對匈奴戰爭中失利最為嚴重的一次，與巫蠱之禍不無關係。
7 萬漢家兒郎就這樣全部葬送在李廣利手中，李廣利兵敗後投降匈奴，狐鹿姑單於知道他在大漢身居高位，便將女兒嫁給他，對他的恩寵超過了衛律。李廣利降敵使漢武帝震怒異常，漢武帝便下令族滅其全家。靠著李夫人“興旺發達”的李氏家族滅亡了。
劉髆最終沒有被漢武帝立為太子。而到了後元元年（前88 年）正月，漢武帝去世的前一年，劉髆去世。
劉弗陵是漢武帝的第六子。劉弗陵的母親趙婕妤以“奇女子氣”
得寵，居住在鉤弋宮中，她因此被稱作鉤弋夫人。相傳，有一次漢武帝巡狩，路過河間國時，觀天相、占卜吉凶的“望氣者”對漢武帝說此地有奇女，漢武帝立即下詔派人尋找。
果不其然，如望氣者所言，一會兒的工夫，隨行的官員便在河邊找到一位年輕漂亮的女子。漢武帝看到她的時候，她的雙手握成拳狀，雖然當時她十多歲了，但是依然不能伸開。
於是，漢武帝便讓這位漂亮的女子過來，看她雙手果真是緊握拳狀，漢武帝便伸出雙手將這女子手輕輕一掰，少女的手便被分開，在手掌心裏還緊緊地握著一隻小玉鉤。漢武帝以為這是天意，隨後，便派人把這個女人扶入隨行的軺車，將她帶回皇宮。她由此得到漢武帝的寵愛，號稱拳夫人。
太始三年（前94 年），趙婕妤生下劉弗陵。據說劉弗陵和上古的堯帝一樣都是懷胎14 個月而生，於是稱其所生之門為“堯母門”。
征和三、四年間（前90 年至前89 年），漢武帝認為年僅五六歲的劉弗陵體格健壯、聰明伶俐，很像自己少年之時，便特別寵愛劉弗陵，對他抱有了很大的期望。漢武帝有意傳位於劉弗陵，可是，漢武帝擔心劉弗陵的母親鉤弋夫人還年輕，怕自己一旦歸天，大權要落到太後手裏。漢初呂後專政的教訓，他沒有忘記。為了解除後顧之憂，漢武帝決心除掉鉤弋夫人。
幾天之後，漢武帝找到鉤弋夫人的一個小差錯，便斥責了鉤弋夫人。這時，鉤弋夫人想不到自己為漢武帝生了皇子，而漢武帝現在竟不顧情義，她頓時感到痛徹心扉。於是，便摘下發簪、耳環，叩頭請罪。這時，漢武帝命人將趙氏拉走，送到宮廷的監獄中。趙氏回頭看著漢武帝，漢武帝說：“快走，你活不成了！”不久趙氏死於雲陽宮。當時暴風刮起滿天灰塵，老百姓都感歎哀傷。
事後，漢武帝問左右侍從：“外麵對這事有何說法？”
左右告訴漢武帝說：“既然就要立弗陵為太子，又何必除去他的生母？”
漢武帝這才說了他的意圖：“這不是你們這些愚人所能知道的。
過去國家造亂的緣故，是天子少母後壯。女主獨居驕蹇，**自恣，莫能禁止她。你們沒聽說過呂後嗎？所以不得不先除去她。”
因此，漢武帝誅殺鉤弋，是站在他的立場上，吸取呂氏專權的曆史教訓，而采取的防微杜漸以確保弗陵順利執掌皇權的措施。司馬光說：“孝武以孝昭之生，神異於人而複有早成之資，違長幼之次而立之。鑒於諸呂，先誅其母，以絕禍源，其於重天下謀子孫深遠矣。”
後元二年（前87 年）二月十二日，漢武帝病重，將年僅8 歲的劉弗陵立為皇太子。