曾祖父：太祖高皇帝刘邦
曾祖母：（追谥）高皇后薄氏
祖父：太宗孝文皇帝刘恒
祖母：孝文皇后窦氏
父：孝景皇帝刘启
母：孝景皇后王氏
后妃：
陈废后，太子妃，后为皇后。后因无子失宠加上涉嫌巫蛊被废居于长门宫。死后以馆陶公主之女的身份葬在其外公汉文帝霸陵的郎官亭东。
卫思后，在位38年，生卫长公主、诸邑公主、石邑公主、太子刘据。巫蛊之祸中支持刘据起兵，后被武帝缴其印玺后自杀，被苏文以小棺葬于长安城南的桐柏。汉宣帝即位后以皇后之礼改葬，并设置思后园。
王夫人，生齐怀王刘闳。
李姬，生鄂邑公主、燕刺王刘旦、广陵厉王刘胥。
李夫人，武帝逝世后被霍光追封为孝武皇后，配飨汉武帝，葬于茂陵。生昌邑王刘髆。
尹夫人
邢夫人
赵婕妤，又称钩弋夫人，生汉昭帝刘弗陵。被武帝赐死，葬于云陵，昭帝即位后被追封为皇太后。
子女：
儿子
戾太子刘据，母卫子夫。巫蛊之祸时被迫起兵诛江充，兵败后逃亡至湖县自缢，其全家被杀，唯有孙子刘病已得以保全，后改名刘询，即汉宣帝。
齐怀王刘闳，母王夫人。早薨，无子，国除。
燕刺王刘旦，母李姬。汉昭帝即位，他与宗室刘长、刘泽及大臣上官桀、桑弘羊等谋夺取帝位，失败，自杀，国除。[42]
广陵厉王刘胥，母李姬。昭帝时，觊觎帝位，使女巫祝诅。宣帝即位，复与楚王延寿私通书信，后谋叛事发觉，又药杀当事人二十余人以灭口，为汉中央追穷治罪，自杀，国除。
昌邑哀王刘髆，母李夫人。其子为汉废帝刘贺。当过27天皇帝，后被废。
汉昭帝刘弗陵，母赵婕妤。
女儿（由于历史记载不详，汉武帝之女未有明确排序，而且很可能部分女儿未曾在史书留名。）
卫长公主，又称当利公主，母卫子夫。先嫁与表哥曹襄，曹襄早死，后嫁与栾大，栾大被汉武帝腰斩。
诸邑公主，母卫子夫。死于巫蛊之祸。
石邑公主，母卫子夫。
鄂邑盖长公主，又称盖主，生母无明确记载，可能是盖姓妃嫔或李姬。曾抚养昭帝。后与燕王刘旦、上官桀、上官安及桑弘羊等合谋诛除霍光，事发后自杀。
阳石公主，生母不详，死于巫蛊之祸。
夷安公主，生母不详。下嫁隆虑公主之子昭平君。
