长子戾太子刘据，母皇后卫子夫。次子齐怀王刘闳，母王夫人，元狩六年立，18岁驾薨。三子燕剌王刘旦，母李姬。四子广陵厉王刘胥（与齐怀王刘闳同时立）。五子昌邑哀王刘髆，母李夫人，天汉四年立（其子刘贺当过27天皇帝）。六子汉昭帝刘弗陵，母钩弋夫人赵婕妤，在位十三年，21岁驾崩。
女儿
由于历史记载不详，刘彻之女未有明确排序，而且很可能部分帝女未曾史书留名。（比如汉景帝时期只记载了刘彻三个同母姐妹，文帝时期只记载了馆陶公主和绛公主）长女卫长公主（当利公主），是汉武帝和卫皇后的长女，也是汉武帝最喜欢的女儿。汉武帝为求长生不老，派人到处寻访方士。最著名的方士栾大，被封为五利将军、天道将军、地道将军、乐通侯，“赐列侯甲第，僮千人、乘舆斥车马帷帐器物以充其家”，汉武帝还将卫长公主嫁给了他（卫长公主原先嫁给曹寿的儿子平阳侯曹襄，因为丈夫早死，再嫁栾大），后来武帝发现栾大是个骗子，怒火中烧，派人把栾大活活烧死，以泻心头之恨。从此卫长公主再无事迹见于史料。只知道她的儿子曹宗在“巫蛊之祸”中遇害身亡，汉宣帝时她的孙子曹喜恢复了列侯爵位，这个爵位一直延续到东汉。鄂邑长公主（盖长公主）刘彻去世后因抚养汉昭帝被封长公主，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。诸邑公主史记索隐称其母为卫子夫，死于巫蛊之祸。石邑公主史记索隐称其母为卫子夫，生卒年不详。阳石公主（德邑公主），生母不详，死于巫蛊之祸。夷安公主嫁汉武帝姊妹隆虑公主子昭平君。