汉武帝的第一任皇后是 陈皇后，她的名字在历史记载中并不明确，但人们通常称她为陈阿娇。陈阿娇是西汉开国功臣堂邑侯陈婴的后裔，父亲是堂邑夷侯陈午，母亲是馆陶大长公主刘嫖。她因“金屋藏娇”的典故而闻名，但后来被废黜。
汉武帝的第二任皇后是 卫子夫，她原名不详，字子夫。卫子夫原是平阳侯曹寿和平阳公主的讴者，后被汉武帝纳入宫中，并生下刘据、卫长公主和阳石公主等子女。卫子夫在皇后位38年，是历史上第一位有谥号的皇后，但在巫蛊之祸中遭受陷害，最终选择自杀。
此外，汉武帝还有其他皇后，如李皇后（李夫人）和赵太后（赵婕妤，勾弋夫人），但她们的详细情况在历史记载中不如陈皇后和卫子夫丰富。