卫青北击匈奴收复河南之地，主父偃上书建议在河南筑朔方、五原二郡，武帝便令公卿议论是否置此二郡。左内史公孙弘反对说：“秦时曾经发三十万人在北河筑城，但最终没能建成并放弃了。”武帝并未赞同公孙弘的说法，公孙弘为人雄伟奇异，见多识广。经常称人主唯恐心胸不宽广，人臣唯恐不节俭，在做了几年左内史后，原御史大夫张欧，因年老多病而被免责，武帝任用公孙弘为御史大夫，接替张欧之位。
筑朔方郡的工程浩浩荡荡的进行着，劳役之累波及至崤山以东，又因苍海郡及通往西南夷道路的修建令燕齐之地、巴蜀之民疲惫不堪，御史大夫公孙弘多次向武帝谏言，称这些政策都是以疲敝中国为代价而去经营没有用的地方，希望武帝能够停止这些事情。基于公孙弘数年如一日的反对声，武帝便命中大夫朱买臣等人，以设置朔方郡的利处来诘难公孙弘。朱买臣提了十个问题，公孙弘一个也答不上来，公孙弘道歉说：“我是山东边鄙之地的浅薄人，不知道筑朔方郡有这些好处，希望陛下停止修通往西南夷的道路和修建苍海郡的事情，集中力量经营朔方郡。”武帝这才答应，兴建不到二年的苍海郡及用事九年的西南夷工程被叫停。
在公孙弘任御史大夫期间，武帝想起被狱免官的内史宁成，欲诏其复为郡守。公孙弘反对说：“我在家乡做小吏时，宁成为济南都尉，他处理政事犹如狼牧羊一般。宁成不可以做郡守管理百姓。”武帝听从公孙弘之言。
齐厉王刘次昌畏罪自杀。第二年，齐相主父偃被赵王刘彭祖告以受贿、谋害齐王之罪下狱，受金事件也已坐实。武帝本不想诛杀主父偃，然而公孙弘说：“齐王自杀没有后代，封国被废，主父偃是罪魁，陛下如果不杀主父偃，无法向天下人交待啊！”于是，武帝诛杀主父偃。
因门人擅自为自己杀了仇家而被牵累，被迫逃亡已久的游侠郭解被捕，然而因为罪行发生在大赦之前，无法将其判罪。官员曾经到其家调查时，同乡儒生因说郭解作奸犯科公然违法不能称贤而被其门人所杀并割去舌头，因此官吏就此事责问郭解，郭解不知杀人者谁。负责此案的官吏便上奏称郭解无罪，御史大夫公孙弘说：“郭解以一介白衣行侠弄权，因小事杀人，郭解虽然自己不知道，但这个罪过比他自己杀人还严重。应当判处他大逆无道之罪。”于是，郭解就这样在对门人杀人毫不知情的情况下因公孙弘的一句话而被枉杀。
公孙弘平素节俭，汲黯上奏武帝称公孙弘居三公要职，俸禄多却盖粗布被子是欺诈世人沽名钓誉。公孙弘坦诚承认，在赞誉汲黯一番后又分别列举出管仲越礼及晏婴勤俭做齐国丞相的例子。武帝听了之后认为公孙弘谦让有礼，愈加厚待他。
丞相薛泽被免职，武帝欲任用公孙弘为丞相。然而，按照汉朝先前的制度，丞相之职一直选用列侯担任，唯独公孙弘没有侯爵。于是，武帝下诏封平津乡650户给丞相公孙弘为平津侯，后世以丞相封侯的实例即始于公孙弘。
公孙弘出任丞相期间，适逢武帝兴建功业，屡举贤良，公孙弘亦受此益而数年之间以平民至丞相，在丞相府邸建起宾客之馆，广纳天下贤才参与国事的商议。并躬行节俭，欲为天下人的榜样，每餐只吃一种荤菜和粗米饭，所有的俸禄全部用来奉养朋友及宾客，家里没有余资，士人亦因此认为公孙弘贤良。
由于汲黯经常在武帝面前诋毁公孙弘，公孙弘因此而痛恨汲黯，在做了丞相之后，公孙弘向武帝进言右内史地界贵人宗室众多难以治理，不是素来有声望的大臣不能胜任，并建议任用汲黯右内史。武帝从公孙弘之言，任主爵都尉的汲黯迁为右内史。当刘端的胶西国相位空缺之时，公孙弘因董仲舒将其视作阿谀奉承之人而记恨董仲舒，而胶西王刘端凶残蛮横，害死过数位朝廷派去的国相，公孙弘故向武帝推介说只有董仲舒这样的大儒，才能够胜任胶西王相之位。
在武帝大规模反击匈奴时，河南人卜式上书言希望捐献自己一半的家产以助边事，并且别无所求，武帝诏来公孙弘将此事说与他听，公孙弘认为这不是人之常情，并说不守法度的人不可以作为天下人的楷模，如若不然会扰乱法纪，希望陛下不要同意他。武帝亦听从公孙弘之言，果然没有给予卜式答复。
淮南王刘安的孙子刘建，遣好友庄芷告发淮南王太子刘迁及王后迫害其父刘不害，并说知晓淮南王全部的秘事。公孙弘的好友审卿因自己的祖父审食其被淮南厉王刘长所杀，故极力向公孙弘构陷刘长之子刘安的罪状。于是，公孙弘怀疑淮南王有叛逆的阴谋，决定深入追查此案。
当朝廷正在紧急深究淮南王及衡山王谋反案党羽之时，公孙弘却病重无法处理政事，公孙弘自知无功而侯，认为诸侯谋反是自己为相不称职的原故，并担心自己一旦病死将无法尽责，因此上书请辞丞相之职。武帝却赐予公孙弘牛酒布帛，令公孙弘专心养病，并未同意辞职。过了几个月，公孙弘身体康复，便回朝处理政务，武帝召集公卿、列侯及诸侯王共43人，与公孙弘共商谋反案，众人皆认为此案性质恶劣，大逆无道，应当诛杀。于是，公孙弘与廷尉张汤等把众人的议论上奏武帝，武帝派遣宗正刘弃持符节去审判淮南王。其后，淮南国被废为九江郡。
公孙弘曾经进言建议百姓不准携带弓弩，称十个贼人张开弓弩，一百个官吏不敢上前，盗贼不能及时被捕获，逃脱的就会多对贼人来说弓弩弊少而利多，这就是贼猖獗的原因。如果禁止百姓携带弓弩，那么盗贼只能与民众短兵相接，短兵相接则人多者胜。以众多的官吏补少数的盗贼，则势在必得，盗贼不能从中获得好处便不会再犯法，这是止刑罚之道。
武帝将此议下由众臣议论，光禄大夫吾丘寿王以古人制作兵器的目的，周室衰微而相贼害，秦废王道而乱亡为例，言圣王用教化百姓来代替防暴。又云大射之礼，良民自卫皆须弓弩，书奏上后，武帝以吾丘寿王之论反问公孙弘，公孙弘屈服。
做了六年丞相的公孙弘薨于任上，谥号献，儿子山阳太守公孙度嗣平津侯爵，御史大夫乐安侯李蔡接任丞相之职。
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