於公元前209年（秦二世元年），殺父頭曼單于而自立。他是中國少數民族中第一個雄才大略的軍事家、統帥。公元前209年至公元前174年在位，攣鞮氏。
冒頓是匈奴單于頭曼的長子。秦二世元年(前209年)，頭曼得少子，欲廢太子冒頓而立少子，於是讓冒頓做了月氏的人質。單于頭曼卻發兵急攻月氏，想借月氏人之手來殺冒頓。冒頓盜馬逃歸，頭曼認為冒頓壯勇，讓他統率一萬騎兵。
冒頓得到兵權後加緊訓練部隊。他製成了鳴鏑，下令說：“鳴鏑所射而不悉射者，斬之。”(《史記·匈奴列傳》)冒頓與部下出獵鳥獸，發現有不射響箭所射目標的人，就殺掉他。不久冒頓用響箭射自己的良馬，左右的人有不敢跟著射的，冒頓立刻將他們殺掉。此後，冒頓又以響箭射自己寵愛的妻子，左右的人都感到很恐慌，不敢跟著射，冒頓又將這些人殺死。
不久，冒頓出獵，用響箭射殺單于的良馬，左右的人都跟著射。此時，冒頓知道他的左右都聽從他的命令，可被他利用了。
一次冒頓隨其父頭曼單于狩獵，用響箭射向頭曼，他的左右也都隨著響箭射向頭曼單于。頭曼死，冒頓誅殺他後母、弟弟和不聽從他的眾臣，自己作了單于。
冒頓登位後，正是東胡強盛時期，東胡聽說冒頓殺父登位，便派使者對冒頓說，想要頭曼的千里馬。冒頓徵求大臣們的意見，大臣們表示，千里馬是匈奴的名馬，不應給東胡。冒頓說：“柰何與人鄰國而愛一馬乎？”(《史記·匈奴列傳》)於是把頭曼的千里馬送給東胡。東胡認為冒頓懼怕他們，不久又提出想得到單于的一個閼氏。冒頓又問群臣，左右大臣都憤怒地說：“東胡無理，竟然索要閼氏，請您派兵攻打他們。”冒頓說：“柰何與人鄰國愛一女子乎？”(《史記·匈奴列傳》)於是便把一位自己寵愛的閼氏送給了東胡。
東胡得到單于閼氏後愈發驕橫起來，欲向西侵略。東胡和匈奴之間有一千多里的荒蕪地區，無人居住，雙方各自在自己的邊界地區建立了哨卡。東胡派使者對冒頓說：“兩國之間的緩衝空地，我們想占有它。”冒頓詢問大臣們的意見，大臣們認為這是荒棄之地，給或不給都可。於是冒頓大怒，說：“地者，國之本也，柰何予之！”(《史記·匈奴列傳》)便把主張給東胡土地的大臣都殺了。冒頓發兵向東襲擊東胡，下令全國士兵，有後退的皆斬。東胡早先輕視匈奴，並無防備，等到冒頓引兵來犯，大敗東胡軍，消滅了東胡王，擄掠了他的人民和牲畜。回來後，向西打敗了月氏，向南併吞樓煩和牡羊河南王，又全部收回了秦將蒙恬所奪取的匈奴土地。以漢原河南塞為界，到達朝那，膚施，進而侵入燕、代兩地。這時的漢軍與項羽相持不下，中原地區被戰爭弄得疲憊不堪，無暇西顧，因此冒頓的勢力得到了壯大，手下有能彎弓射箭的士卒達三十多萬，設左右賢王二十四長，稱雄於大漠南北。
匈奴從其先祖淳維單于至頭曼單于，已有一千多年了，但匈奴的地域時大時小，內部也別散分離，直到冒頓單于時，匈奴最為強大，盡服從北夷，而南與中國為敵，使其成為一代雄主。
此後冒頓又率兵向北征服了渾庾、屈射、丁零、鬲昆、薪犁等國，盡使北方各族服從他的統治。
漢平定中原不久，為加強邊防調韓王信去代郡，都馬邑(今山西朔縣)。匈奴大舉進攻馬邑，迫韓王信投降了匈奴。於是匈奴引兵向南，越過句注山，直攻太原，兵鋒及於晉陽城(今山西太原西南)，威脅西漢的統治。
公元前200年，劉邦率兵前去抗擊匈奴，時逢冬季，風雪交加，奇寒無比，有十分之二的士兵凍掉了手指。於是冒頓佯裝敗北，暴露自己的老弱病殘之兵，掩藏起精銳之師，誘漢兵追趕。高祖果然將以步兵為主的全部三十二萬漢兵用以北逐匈奴。高祖到先平城(今山西大同市東)，其步兵還沒有到齊。冒頓派精騎四十萬圍困高祖於白登山(平城東)，七天七夜，被包圍的漢軍得不到軍糧接濟，情勢十分危急。高祖用陳平計，暗中派使者厚贈禮物給冒頓的閼氏，閼氏對冒頓說：“兩主不應相困。現在即使得到了漢朝土地，單于您也終究不能住在那裡。況且漢王自有神靈保佑，請單于您仔細考慮。”冒頓原與韓王信的大將王黃、趙利相約共滅漢王，可王黃、趙利的軍隊未到，冒頓懷疑可能和漢軍有密謀，就聽取了閼氏的話，放開包圍圈的一角。高祖劉邦下令所有士兵都拉滿弓外向，從匈奴解開的一角直衝而出，終於和大軍會合。冒頓這時已引兵離去，漢朝也領兵撤退。
其後冒頓常結連漢朝叛將，引兵侵擾漢朝邊地，使得漢朝深感憂慮。當時漢初定，國力弱，於是高祖便派劉敬前去締結聯姻和約。奉送皇族女兒冒稱公主去做單于的閼氏，每年奉送給匈奴絲棉、綢絹、酒米食物各有一定的數量，漢匈結約為兄弟之國，冒頓才稍稍停止侵擾。
高祖死後，孝惠帝、呂后時，匈奴驕橫無禮，冒頓竟然在給呂后的信里有侮辱性言語，呂后想攻打匈奴，被諸將所勸未行，依舊實行和親成策。文帝初年，冒頓又派右賢王進占了黃河河套以南地區，後消滅月氏，平樓蘭、烏孫、呼揭等國。第二年冒頓到致信漢文帝願意恢復過去的和約，文帝作了友好的答覆，雙方轉向通好。
公元前174年，冒頓去世。其子稽粥單于立，號曰老上單于。
