汉武帝在位五十四年，一共有十三位丞相。
1、卫绾，丞相任期：汉景帝后元元年(前143年)——建元元年(前140年)
汉武帝当太子时的太子太傅，汉景帝晚年时被任命为丞相。卫绾的优点和缺点都不突出，是个安守本分的老实大臣，因此汉景帝才选卫绾做自己与汉武帝之间的过渡丞相。随着汉武帝的皇位基本稳固之后，卫绾便卸任回乡，善终离世。
2、窦婴，丞相任期：建元元年(前140年)——建元二年(前139年)
窦汉武帝祖母窦太后的侄子，也是汉武帝的表叔。窦婴是除了窦太后外最有影响和威望的窦家成员，曾在吴楚七国之乱中立下大功。不过由于窦婴是儒家弟子，与崇尚道家的窦太后在很多政治问题存在巨大分歧，因此曾被长期雪藏。
汉武帝登基后，一方面需要得到窦太后的继续支持，另一方面要推行儒家改革，再加上丞相储备人才的缺乏，因此窦婴成为汉武帝第一位亲自任命的丞相。不过随着汉武帝的第一次改革被窦太后推翻，主持推行改革的丞相窦婴也被免职回家。
窦太后去世后，汉武帝开始亲政，而以汉武帝的母亲王太后、舅舅田蚡为代表的新外戚家族与窦婴为代表旧外戚家族的矛盾也越来越激化，最终演变为汉武帝时期著名的“窦婴伪诏案”。最终窦婴因为“伪诏”的罪名被杀并诛灭三族。
3、许昌，丞相任期：建元二年(前139年)——建元六年(前135年)
汉高祖时期的功臣柏至侯许温之孙。许昌是个崇尚“黄老之道”、主张“无为而治”的老实人。窦太后在推翻汉武帝的第一次儒家改革后，许昌接任被免职的窦婴接任丞相。汉武帝亲政后，便随便找个罪名将许昌免职。
4、田蚡，丞相任期：建元六年(前135年)——元光四年(前131年)
汉武帝母亲王太后的异父兄弟，据说相貌丑陋，但善于文辞。汉景帝时期窦家得势的时候，田蚡曾经以非常前辈的姿态对待窦婴。汉武帝刚登基的时候，田蚡被任命为三公之一的太尉。但随着汉武帝被窦太后架空，田蚡也被免职回家。
汉武帝亲政后，田蚡被任命为丞相。这时的田蚡便仗着丞相的权势和王太后的庇护，开始奢侈腐化，独断专横，甚至直接威胁到汉武帝的皇权。而田蚡与窦婴的矛盾更是变得无法发调和，最终引发了“窦婴伪诏案”。
窦婴被杀之后，得胜的田蚡却突然得了严重的怪病，在转年的春天便因病而死。田蚡直到死前都无法出来工作，这也成为汉武帝建立“内外朝”的契机。汉武帝后来在调查刘安的时候得知田蚡曾接受刘安的贿赂，说道：“如果武安侯现在还活着的话，就该被灭族了。”
5、薛泽，丞相任期：元光四年(前131年)——元朔五年(前124年)
汉高祖时期的功臣广平侯薛欧之孙，是个能力不突出、性格品德也没什么特别、在史书中几乎没有留下任何事迹的一般人。汉武帝在薛泽做丞相期间建立了影响深远的“内外朝制度”，薛泽本人在当了几年丞相后卸职回家，得以善终。
6、公孙弘，丞相任期：元朔五年(前124年)——元狩二年(前121年)
西汉第一位非功臣贵族出身的丞相，也是第一位以丞相封侯的大臣。公孙弘大器晚成，做丞相的时候已经是个老人了。在任期间公孙弘厉行节俭、关注民生、推行儒学，是汉武帝时期最有作为的丞相，为“汉武盛世”做出了重要贡献。
不过公孙弘还有阴暗的一面，当时的汲黯、淮南王刘安以及后世的司马迁对他的评价都不是很高，而“主父偃之死”更是公孙弘一生的污点。不过汉武帝对公孙弘却是非常信任，公孙弘也成为汉武帝时期仅有的两位在任上善终的丞相。
7、李蔡，丞相任期：元狩二年(前121年)——元狩五年(前118年)
飞将军李广的堂弟，曾立下不少军功，因此接替公孙弘担任丞相。李蔡在任期间政绩突出，尤其是整顿吏治、改革货币、盐铁专营三项政绩。元狩五年 (前118年)，李蔡因被控私自侵占汉景帝陵园的土地而遭到调查。李蔡不愿受“刀笔吏”的侮辱，自杀而亡。
8、庄青翟，丞相任期：元狩五年(前118年)——元鼎二年(前115年)
汉高祖时期的功臣武强侯庄不识(也作庄不职)之孙，就任丞相后与御史大夫张汤发生激烈冲突，因此庄青翟便在汉武帝面前诬陷张汤。没想到张汤竟然以自杀来证明清白，庄青翟被愤怒的汉武帝投入监狱，并在狱中自杀。
9、赵周，丞相任期：元鼎二年二月(前115年)——元鼎五年(前112年)
其父赵夷吾曾任楚国太傅，在吴楚七国之乱中因为拒绝跟随楚王刘戊造反而被杀，因此赵周算是烈士后代。元鼎五年(前112年)，一批列侯因为所献黄金的成色和分量不足而被废除爵位。而赵周则被指控为这批列侯隐瞒罪责，在监狱中自杀。
10、 石庆，丞相任期：元鼎五年(前112年)——太初二年(前103年)
其父石奋因为自己与儿子五人都做到了两千石以上的高官，所以人称“万石君”。石庆为人谨慎老实且才干平庸，因此没有什么突出的政绩和劣迹。太初二年(前103年)，石庆病死在任上，成为汉武帝时期仅有的两位在任上善终的丞相。
11、 公孙贺，丞相任期：太初二年(前103年)——征和二年(前91年)
早在汉武帝做太子的时候，公孙贺就是太子舍人，是汉武帝最早的嫡系班底之一。公孙贺后来还娶了卫青的姐姐卫孺，成为汉武帝的连襟，大将军卫青的姐夫。公孙贺本人的能力也不差，在汉匈之战中立下不少军功，因此被汉武帝任命为丞相。
据记载公孙贺并不愿意当这个丞相，曾说：“主上贤明，臣不足以称，恐负重责，从是殆矣”，不过公孙贺自己也没想到的是此言竟然一语成谶。征和二年(前91年)，公孙贺被诬陷使用“巫蛊”诅咒汉武帝而冤死在狱中，三族也被诛灭。
12、刘屈氂，丞相任期：征和二年(前91年)——征和三年(前90年)
中山靖王刘胜之子，汉武帝的侄子，西汉唯一的宗室丞相。刘屈氂刚就任丞相便遇上了著名“巫蛊之祸”并镇压了太子刘据的造反。之后刘屈氂与李广利立昌邑王为太子、诅咒汉武帝的阴谋被发现，汉武帝将刘屈氂腰斩于市。
13、 田千秋，丞相任期：征和四年(前89年)——汉昭帝元凤四年(前77年)
本为护卫汉高祖陵寝的郎官，因为在“巫蛊之祸”后上书为太子刘据鸣冤而得到汉武帝的赏识，成为汉武帝任命的最后一任丞相。田千秋晚年的时候被允许坐车出入宫廷，也被称为“车丞相”。田千秋的丞相一直当到汉昭帝时期，为“昭宣中兴”做出了重要贡献。
