汉武帝的一生雄才伟略，一共有六个儿子。孩子虽不算多，但是他选定继承人颇费了一番工夫。
刘据是汉武帝的嫡长子，因为他的生母是卫皇后，故称卫太子。汉武帝中年得子喜上眉梢，册封刘据生母卫夫人为皇后。刘据7 岁时，汉武帝举行了盛大的典礼，立刘据为太子。
母凭子贵，卫氏家族也因此受到宠信，卫青被擢升为太中大夫，后又被拜为车骑将军。卫青先后7 次出击匈奴，均大获全胜，并收复河南地，置朔方郡，同被封为长平侯、大将军、大司马，位居丞相之上。
太子刘据20 岁的时候，汉武帝为他在东宫建造了一座博望苑，供太子结交宾客，读书学习。汉武帝为培养太子花了一翻心血，对他寄予太多厚望。他希望太子建立起博学的声望，有声望才有威信，有威信将来好继承皇位。
而太子刘据性情温和，汉武帝曾不无遗憾地说，太子不如自己有才干。实际上，这仅仅是太子和自己风格不同，汉武帝采用董仲舒“罢黜百家，独尊儒术”的建议，以儒生治国，加强专制统治，所以任用酷吏。
当时著名的酷吏不少，有赵禹、张汤、王温舒、杜周等人，造就了不少冤案。而太子平反了不少冤案。在汉武帝的强悍面前，太子的仁慈多少有些刺眼。但太子的行为符合律法，且行事严谨宽厚，汉武帝还是打心眼里喜爱太子的。
征和二年（前91 年），汉武帝在巫蛊之乱中被江充、苏文等佞臣蒙蔽，太子起兵反抗后兵败逃亡，而后太子因拒绝被捕受辱而自尽。这时的汉武帝已经是将近七旬的老人，他不得不为自己的后事考虑，只能从众多的皇子中再选立太子。
刘闳是汉武帝的二子，大约出生在元朔六年（前123 年）。刘闳的母亲王夫人得到汉武帝的宠爱，因此，刘闳也受汉武帝的爱幸。
元狩六年（前117 年），由大司马霍去病带头，御史兼尚书令霍光上奏，众臣上疏请汉武帝封皇子刘闳、刘旦、刘胥三人为诸侯王，诸侯王必须“就国”。四月，汉武帝立次子刘闳为齐王，立三子刘旦为燕王，四子刘胥为广陵王。
元鼎六年（前111 年），齐国的丞相也即齐王刘闳的太傅卜式前往长安担任御史大夫一职。第二年的元封元年（前110 年），即封王第八年，刘闳去世，谥号为齐怀王。因其年少，没有子嗣，死后封国废绝，变为郡。
天下人都说齐地不宜封王。
刘旦是汉武帝的第三子。元狩六年（前117 年）被册封为燕王。燕国地处西汉北境，紧邻匈奴，土地贫瘠，民风凶悍，汉武帝以策文诏谕刘旦，勉励他镇守边陲，成为汉朝的藩篱辅翼。
汉武帝时期的郡国制度与汉初不同，经过削藩策、七国之乱和推恩令的多重打击之后，诸侯王在封国已没有太多的权力。汉朝皇位传承遵从周制，作为第三子的刘旦，并不奢望荣登大宝，因而安心为藩王。
他将心思集中于各种学问，率性而学，经书、杂说来者不拒，尤好星历、数术、倡优、射猎。成年后的燕王“能言善辩，广有谋略”，喜好招揽游侠武士。
刘旦得知长兄死讯后，认为自己在父皇剩余诸子中年纪最大，按次序排下来，皇太子之位置必然归属自己。可是，汉武帝却没有这个意思。
后元元年（前88 年），汉武帝年迈病重。刘旦派使者来到长安，向汉武帝上书，请求宿卫长安，以备不虞。汉武帝看完信后大怒，立刻把送信的使者斩杀了，而后又以燕王“藏匿亡命之徒、违反汉律”的罪名，削掉其封国三个县邑，以示惩戒。
汉武帝感叹“生子应置于齐鲁之地，以感化其礼义；放在燕赵之地，果生争权之心”，所以开始厌恶刘旦。
刘胥是汉武帝的第四子。他身材高大，体魄壮健，喜好游乐，力能扛鼎，空手与熊、野猪等猛兽搏斗，行为没有法度，所以最终没能成为皇位继承人。
刘髆是汉武帝的第五子。他是汉武帝的宠妃李夫人所生，是贰师将军李广利的外甥。天汉四年（前97 年），受封昌邑王。征和三年（前90 年），太子死后第二年，汉武帝命贰师将军李广利率领7 万大军出攻匈奴。当李广利离开京城的时候，丞相刘屈氂为他饯行。因为，李广利的女儿是刘屈氂的儿媳，两人是儿女亲家。
由于前一年爆发巫蛊之祸时，太子刘据被人诬陷而自杀，至今还没有新立太子。李广利便想乘机让自己妹妹李夫人所生的儿子昌邑王刘髆被立为太子，那样自己自然就成为了国舅，地位将更尊贵，权势也更大。而刘屈氂不仅身为丞相，还是汉武帝的侄儿，颇得汉武帝的信任。
在李广利出征前的告别宴上，这对儿女亲家为储君之位空悬打起了主意。李广利对刘屈氂说：“希望你在当今圣上面前建议，立昌邑王为太子。昌邑王能够被立为太子，将来做皇帝，你的相位也就可长保无忧了。”
在这个问题上，二人利益完全一致，刘屈氂自然满口答应，答应寻找机会，向汉武帝建言。
李广利派遣属国胡骑2000 人与匈奴军接战，匈奴败退，死伤者数百人。汉军乘胜追击至范夫人城，匈奴四散奔逃，不敢与汉军对抗。同年六月，内者令郭穰密告丞相刘屈氂的妻子因为刘屈氂曾多次遭汉武帝责备，便对汉武帝不满，因而请巫祈祷神灵，诅咒汉武帝早死。
同时密告刘屈氂与李广利共同向神祝祷，希望昌邑王刘髆将来做皇帝。汉武帝得知后，便下令主管司法的廷尉查办，认定刘屈氂大逆不道，处以腰斩，并用车装着尸体在街上游行示众。将刘屈髦的妻儿在长安华阳街斩首。李广利的妻儿也遭逮捕囚禁。
正在指挥大军对匈奴作战的李广利听到家中妻儿因巫蛊被捕收监的消息，如五雷轰顶，既忧虑，又害怕，不知如何是好。掾吏胡亚夫劝他投降匈奴。
李广利心想若投降匈奴，将加速妻儿老小的死亡，情况会更惨，不如立功赎罪，也许有一线希望。因此，李广利便不根据实际情况，在不了解双方军事形势的情况下，不计及战略战术，以数万汉家儿郎的生命为赌注，盲目进军，以求侥幸，挥师北进，深入匈奴，直至郅居水。
这时的匈奴军队已离去，李广利又派负责主管军中监察的护军率领两万骑兵，渡过郅居水，继续向北挺进，与匈奴左贤王的军队相遇，两军接战。汉军大胜，杀死匈奴左大将及众多的士卒。长史和决眭都尉煇渠侯商议，李广利不惜全军安危以求立功赎罪，恐怕必然招致失败，便暗中策划将李广利扣押起来，以阻止其盲目冒险。
李广利觉察了长史的策划，将他斩首。恐怕军心不稳，发生骚乱，便率军由郅居水向南撤至燕然山。单于知汉军往返行军近千里，已很疲劳，便亲自率领五万骑兵袭击汉军，汉军死亡甚众。
李广利原想冒进，立功赎罪，却遭此大败，心情自然更沉重，又忧虑着家中老少的生命安全，而且本来指挥才能就平庸，因此完全失去了两军对垒中最必要的警觉性。
匈奴趁汉军不备，于夜间在汉军营前悄悄挖掘了一条壕沟，有几尺深，而后于清晨从后方对汉军发起突袭。汉军遭匈奴军袭击，想出营列阵抵敌，却发现军营前有一条深沟，进退不得，军心大乱，丧失斗志。
再加疲劳，完全失去了抵抗力，遭到惨败。这次战败，是汉武帝时期对匈奴战争中失利最为严重的一次，与巫蛊之祸不无关系。
7 万汉家儿郎就这样全部葬送在李广利手中，李广利兵败后投降匈奴，狐鹿姑单于知道他在大汉身居高位，便将女儿嫁给他，对他的恩宠超过了卫律。李广利降敌使汉武帝震怒异常，汉武帝便下令族灭其全家。靠着李夫人“兴旺发达”的李氏家族灭亡了。
刘髆最终没有被汉武帝立为太子。而到了后元元年（前88 年）正月，汉武帝去世的前一年，刘髆去世。
刘弗陵是汉武帝的第六子。刘弗陵的母亲赵婕妤以“奇女子气”
得宠，居住在钩弋宫中，她因此被称作钩弋夫人。相传，有一次汉武帝巡狩，路过河间国时，观天相、占卜吉凶的“望气者”对汉武帝说此地有奇女，汉武帝立即下诏派人寻找。
果不其然，如望气者所言，一会儿的工夫，随行的官员便在河边找到一位年轻漂亮的女子。汉武帝看到她的时候，她的双手握成拳状，虽然当时她十多岁了，但是依然不能伸开。
于是，汉武帝便让这位漂亮的女子过来，看她双手果真是紧握拳状，汉武帝便伸出双手将这女子手轻轻一掰，少女的手便被分开，在手掌心里还紧紧地握着一只小玉钩。汉武帝以为这是天意，随后，便派人把这个女人扶入随行的轺车，将她带回皇宫。她由此得到汉武帝的宠爱，号称拳夫人。
太始三年（前94 年），赵婕妤生下刘弗陵。据说刘弗陵和上古的尧帝一样都是怀胎14 个月而生，于是称其所生之门为“尧母门”。
征和三、四年间（前90 年至前89 年），汉武帝认为年仅五六岁的刘弗陵体格健壮、聪明伶俐，很像自己少年之时，便特别宠爱刘弗陵，对他抱有了很大的期望。汉武帝有意传位于刘弗陵，可是，汉武帝担心刘弗陵的母亲钩弋夫人还年轻，怕自己一旦归天，大权要落到太后手里。汉初吕后专政的教训，他没有忘记。为了解除后顾之忧，汉武帝决心除掉钩弋夫人。
几天之后，汉武帝找到钩弋夫人的一个小差错，便斥责了钩弋夫人。这时，钩弋夫人想不到自己为汉武帝生了皇子，而汉武帝现在竟不顾情义，她顿时感到痛彻心扉。于是，便摘下发簪、耳环，叩头请罪。这时，汉武帝命人将赵氏拉走，送到宫廷的监狱中。赵氏回头看着汉武帝，汉武帝说：“快走，你活不成了！”不久赵氏死于云阳宫。当时暴风刮起满天灰尘，老百姓都感叹哀伤。
事后，汉武帝问左右侍从：“外面对这事有何说法？”
左右告诉汉武帝说：“既然就要立弗陵为太子，又何必除去他的生母？”
汉武帝这才说了他的意图：“这不是你们这些愚人所能知道的。
过去国家造乱的缘故，是天子少母后壮。女主独居骄蹇，**自恣，莫能禁止她。你们没听说过吕后吗？所以不得不先除去她。”
因此，汉武帝诛杀钩弋，是站在他的立场上，吸取吕氏专权的历史教训，而采取的防微杜渐以确保弗陵顺利执掌皇权的措施。司马光说：“孝武以孝昭之生，神异于人而复有早成之资，违长幼之次而立之。鉴于诸吕，先诛其母，以绝祸源，其于重天下谋子孙深远矣。”
后元二年（前87 年）二月十二日，汉武帝病重，将年仅8 岁的刘弗陵立为皇太子。