首先，明確概念，什麼是疆域，就是一個朝代能夠實際上控制和法理上擁有的地區。在古代，近代國家還沒有形成，因此沒有法理上擁有地區。首先，最基本的疆域範圍是能夠設置州郡縣、道路、行省的地區，這些可以稱為「內地」。另外還有軍事控制範圍，如都護府、都督府、衛、都司等。當然，名義上的都督府等不列入範圍。其他的藩屬國、朝貢國等一律不算入領土範圍。
首先我們來看看漢朝疆域有多大。漢初初期的疆域範圍為北到長城，東到遼東，西到隴西，南到南嶺，大約就是秦朝剛剛建立時候的疆域，面積大約為70萬平方公里。到了漢武帝時期，漢朝的面積大幅度擴張，通過滅南越、東越、東甌等，設置了交州九郡，將嶺南地區納入了疆域；滅衛滿朝鮮，設置了東北四郡；經營西南，夜郎、滇國等臣服，設置了益州、牂牁等郡；北伐匈奴，奪得河套平原，設置了朔方刺史部；通過河西之戰奪取河西走廊，設置了河西四郡。至此，漢朝的疆域基本涵蓋了漢地地區，面積大約為350萬平方公里，這個地區一直維持到黃巾起義。
漢朝十三州
漢武帝時期，西域開始被納入了勢力範圍，但是還沒有設置軍事機構。直到公元前60年，漢朝才正式在西域設立西域都護府，管轄大約200萬平方公里的天山南北地區。不過漢朝在西域的控制是不太穩定的。公元23年，已經是西漢末年，都護府撤銷。東漢時期，西域都護府反覆設置和撤銷。74年設立，第二年便撤銷；91年重設，到107年撤銷；123年改設為西域長史府，一直到延續到了魏晉時期。漢朝共經歷了420多年，對西域的控制長達150年。那麼漢朝比較穩定的統治區域面積為550多萬平方公里，而基本統治區域為350萬平方公里。
西漢全盛時期
再來看唐朝。唐朝在618年建立，到628年統一全國，設置了10個道，後來增加到了15個道，史稱「開元十五道」。這個範圍是唐朝的基本疆域，面積也同樣大約在350萬平方公里左右。647年，唐朝滅蒙古高原的薛延陀汗國，並設置了燕然都護府，後來改為瀚海都護府和安北都護府。657年，唐朝滅西突厥，設置了安西大都護府等管轄（後來拆分出北庭都護府）。至此唐朝的疆域面積突破了1000萬平方公里。668年，唐朝又滅高句麗，設置了安東都護府，但是管轄面積較小。
唐朝全盛時期疆域
唐朝超過1000萬平方公里的時間只維持了25年。682年，東突厥復國，安北都護府回撤，蒙古高原350萬平方公里失去控制，加上了阿拉伯帝國的興起，蔥嶺以西地區不斷淪陷，在武則天（690年－705）到755年安史之亂期間，唐朝的面積大約維持在了600萬平方公里，維持時間為73年。雖然唐玄宗在東北設置了靺鞨都督府、黑水都督府、渤海都督府等，但是在這些都是名義上，唐朝並沒有派軍隊和官員到達黑龍江地區，因此這些不算在疆域範圍。
武則天和唐玄宗時期的疆域
安史之亂期間，唐朝在西域的軍隊不斷撤回內地，西域失去控制，先後被吐蕃和回鶻等占據。唐朝從安史之亂一直到黃巢起義時期（878—884），其疆域一直在內地，大約為350萬平方公里。黃巢起義後，唐朝名存實亡，內部解體為「五代十國」。因此唐朝後期的時間大約為130年。
唐朝後期地圖
接著看元朝。1271年，忽必烈建立了元朝，1279年滅南宋統一了全國。元朝的疆域，北到北海（貝加爾湖）和外興安嶺，南到南海，西包括吐蕃（設置了宣政院管轄）和部分西域地區。其面積超過了1300萬平方公里，很有可能達到了1400萬平方公里。元朝的這個數據一直維持到1355年紅巾軍起義，共維持大約70多年。
1294年的元朝
明朝的疆域計算則比較麻煩。1368年，明朝建立，到1382年消滅雲南梁王勢力，至此統一了全國，其面積大約在400萬平方公里左右。永樂時期，在內地設置了兩京十三省。永樂時期是明朝疆域的巔峰。1406年設置了哈密衛，管轄西北地區；1407年，設置了交趾布政使司；1411年在黑龍江流域設置了奴兒干都司，管轄200萬平方公里的東北地區。至此明朝疆域到達了700萬平方公里左右。
明朝1398年地圖
到明宣宗時期，實行了「休養生息」的政策，明朝的疆域全面退縮。1427年，交趾布政使司廢除，越南復國；在東北方向，奴兒干都司正式內遷到遼東，雖然名義上在黑龍江流域還保存大量的衛所，實際上這些衛所都是當地少數民族長官擔任，只是名義上臣服於明朝。因此，實際上已經不能算明朝疆域了。因此，明朝700萬平方公里的疆域只維持了20多年。
明朝後期地圖
明朝後期能夠維持的疆域一直在400萬平方公里左右。至於烏斯藏地區，明朝從朱元璋時期冊封了烏思藏都指揮使司等機構，但是這都是名義上的，明朝沒有派遣官員，更沒有駐軍。在皇太極建立清朝後，烏斯藏地區甚至直接和清朝聯繫，因此烏斯藏地區在明朝是長期獨立存在的。
最後分析的是清朝。1636年，皇太極在瀋陽建立了清朝，此時的清朝已經基本實現了對東北地區的控制，統一了漠南蒙古地區，疆域達到了270萬平方公里。1644年，滿清入關，開始了統一漢地的戰爭。到1661年，基本統一了漢地大陸地區，1683年統一台灣，其疆域達到了670萬平方公里。
初期清朝
康熙在統一漢地之後，和俄羅斯簽訂了《尼布楚條約》，規定了兩國東部疆界。隨後康熙開始和俄羅斯實行了擴張競賽，1698年，康熙擊敗葛爾丹，喀爾喀蒙古（外蒙古）納入了清朝的統治範圍，後來清朝在此設立了烏里雅蘇台將軍。1720年，康熙派軍進入青藏高原，擊敗了准格爾軍隊，將青藏高原納入清朝版圖；此時清朝的疆域已經突破了1000萬平方公里。
康熙時期的清朝
雍正時期，鞏固了康熙的江山，設置了西寧辦事大臣，派遣駐藏大臣，並在西藏駐紮2000軍隊。和俄羅斯簽訂《布連斯奇條約》、《恰克圖條約》，劃定了中俄兩國中段的邊界線。到乾隆時期，最終消滅了准格爾汗國。1757年，准格爾汗國滅亡，1759年又鎮壓了大小和卓的叛亂。至此西域完全納入了統治範圍，改名為了新疆。1762年設置了伊犁將軍。
從乾隆滅准格爾汗國後，清朝的疆域面積便突破了1300萬平方公里。這個數據一直維持到了1858年，大約為100年，比整個元朝都要長。第二次鴉片戰爭後，清朝失去了150萬平方公里的土地，但是依然維持了1100多平方公里的土地一直到滅亡。因此清朝的長期統治為中國的疆域奠定了基礎，並得到了廣泛的國際承認。
綜上所述，中國古代疆域面積最大的應該是元朝，不過真正奠定了基礎的是清朝。隨後是唐朝，其巔峰超過1000萬平方公里，但是控制時間太短。其次是明朝，其巔峰為700萬平方公里，但是維持時間也只有20多年。漢朝雖然巔峰面積只有550多萬平方公里，但是能夠維持這個面積150年，實屬不易，漢朝的長期有效控制面積排名中國古代第三。