長子戾太子劉據，母皇后衛子夫。次子齊懷王劉閎，母王夫人，元狩六年立，18歲駕薨。三子燕剌王劉旦，母李姬。四子廣陵厲王劉胥（與齊懷王劉閎同時立）。五子昌邑哀王劉髆，母李夫人，天漢四年立（其子劉賀當過27天皇帝）。六子漢昭帝劉弗陵，母鉤弋夫人趙婕妤，在位十三年，21歲駕崩。
女兒
由於歷史記載不詳，劉徹之女未有明確排序，而且很可能部分帝女未曾史書留名。（比如漢景帝時期只記載了劉徹三個同母姐妹，文帝時期只記載了館陶公主和絳公主）長女衛長公主（當利公主），是漢武帝和衛皇后的長女，也是漢武帝最喜歡的女兒。漢武帝為求長生不老，派人到處尋訪方士。最著名的方士欒大，被封為五利將軍、天道將軍、地道將軍、樂通侯，「賜列侯甲第，僮千人、乘輿斥車馬帷帳器物以充其家」，漢武帝還將衛長公主嫁給了他（衛長公主原先嫁給曹壽的兒子平陽侯曹襄，因為丈夫早死，再嫁欒大），後來武帝發現欒大是個騙子，怒火中燒，派人把欒大活活燒死，以瀉心頭之恨。從此衛長公主再無事跡見於史料。只知道她的兒子曹宗在「巫蠱之禍」中遇害身亡，漢宣帝時她的孫子曹喜恢復了列侯爵位，這個爵位一直延續到東漢。鄂邑長公主（蓋長公主）劉徹去世後因撫養漢昭帝被封長公主，與燕王劉旦、上官桀、上官安及桑弘羊等合謀誅除霍光，事發後自殺。諸邑公主史記索隱稱其母為衛子夫，死於巫蠱之禍。石邑公主史記索隱稱其母為衛子夫，生卒年不詳。陽石公主（德邑公主），生母不詳，死於巫蠱之禍。夷安公主嫁漢武帝姊妹隆慮公主子昭平君。