波尔克曾在大选中提出，一旦当选，决不谋求连任，并提出当政后的四大工作目标：（一）降低关税；（二）恢复独立国库制；（三）解决俄勒冈边界问题；（四）取得加利福尼亚地区（当时为墨西哥属地，仅有几千西班牙一墨西哥人，但美国移民在不断增加）。为了在任期届满前实现这些目标，他不遗余力地紧张工作。他的副总统是著名的关税保护主义者乔治·M·达拉斯，两人虽在关税问题上主张不一，但仍能很好合作。詹姆斯·布坎南（后为第十五任总统）任国务卿，罗伯特·约翰·沃克任财政部长，乔治·班克罗夫特也是阁员，他们组成了一个精干有力的内阁。波尔克在国会遇到强大的反对力量，其激烈程度为历届总统任内所少见。参议院中，亨利·克莱是最激烈的反对者，范布伦及其一伙则持超然冷漠态度，在关键时刻不肯给予支持。但是，在内阁的支持下，波尔克的四项目标在任内次第实现。 俄勒冈边界问题是19 世纪前期的一个外交问题，涉及俄勒冈境内从太平洋到落基山脉之间介于北纬42 度到54 度40分的那部分土地。这里有通向太平洋的重要河道哥伦比亚河，有丰富的皮毛资源，早在1792 年，美国罗伯特·格雷上尉在太平洋沿岸同印第安人进行贸易期间，发现了哥伦比亚河。 1805～1806 年间，杰斐逊总统又派人越过落基山脉到达哥伦比亚河口，进行了第一次陆路考察。1811 年，美国太平洋皮毛公司在哥伦比亚河口设立贸易站。两年后，这个贸易站又售给了加拿大西北公司。 1821 年，该公司又与英国赫德森湾公司合并。于是，俄勒冈成了英国的一个商业前哨据点，逐渐同美国发生了主权问题的冲突。两国为此不断进行谈判，最后达成了十年内两国共同占有俄勒冈地区的协议，到1827年，双方又同意无限期地延长这一协议。
1840 年，美国拓荒者大量进来，国内许多人都希望重新占有俄勒冈。波尔克在大选中原主张“重新占有”全部俄勒冈地区，上台后即积极着手解决这个问题。1846 年4 月，国会通过两院联合决议，授权总统废止1827 年与英国签订的俄勒冈协议，终止两国共同占有俄勒冈地区的局面。当时美国正陷入同墨西哥的战争，英国也不愿在俄勒冈问题上诉诸武力，两国旋即进行了谈判。波尔克考虑到英国在俄勒冈北部有大量投资利益，乃同意把俄勒冈北半部让给英国，把北纬49 度线（温哥华岛南端除外）定为美国北部边界线。两国于6 月15 日在华盛顿重订俄勒冈边界条约，美国西部边界推向太平洋的过程遂告完成。 美墨战争表面上是由得克萨斯边界争端直接引起的，实质上是由于美国企图侵吞墨西哥的土地。当时的情况是：自从得克萨斯脱离墨西哥宣告独立后，先后得到美国、英国和法国等的承认，但墨西哥始终拒绝承认其独立。
得克萨斯共和国还宣称格朗德河为其西部边界线，这就加深了与墨西哥的矛盾。1843 年8 月，墨西哥总统针对美国酝酿合并得克萨斯的事实提出警告，声称美国如通过合并法案，将被视为对墨西哥的宣战， 1844 年4 月12 日，美国与得克萨斯签订了合并条约，次年3 月1 日，国会两院通过了合并条约。对此，墨西哥公使于1845 年3 月6 日，也就是波尔克正式就职的第三天，向美国提出严重抗议。3 月28 日，墨西哥宣布与美国断绝外交关系。波尔克支持得克萨斯所提出的边界线要求，曾派出密使去墨西哥希望通过谈判解决边界线争端，还授权在解决边界线基础上，向墨西哥提出购买墨西哥属地加利福尼亚和新墨西哥问题。这个密使未获墨西哥当局的接见，只得返回。同年12 月，美国正式使得克萨斯成为第二十八州，并规定边界争端由美国出面解决。1846 年1 月，波尔克政府下令扎卡里·泰勒将军率部开往得克萨斯西部双方有争议的边界地区，企图强行以这一地区为美国西部边界。
美墨遂于4 月25 日发生军事冲突。5 月11 日，波尔克向国会提出战争咨文，经过国会激烈的辩论后，美国于5 月13 日对墨西哥正式宣战。当时美国国内扩张主义情绪高涨，许多人，特别是西部人，认为太平洋是美国天然的西部边界，并把它视为打开对东方贸易的“金门”。波尔克的看法也是如此。他不仅想获得得克萨斯，还想购买墨西哥属地加利福尼亚和新墨西哥地区。战争爆发后，辉格党与民主党更加尖锐对立。民主党支持政府，认为战争是正当的，辉格党反对，认为战争不正当，并称这场战争为“波尔克的战争”。
战争历时两年，共有四个主要战场，即得克萨斯西部地区、加利福尼亚地区、新墨西哥地区、墨西哥境内维拉克鲁斯至墨西哥城地区。美军自1846年5 月进击墨军后，到这年年底先后占领了墨西哥的蒙特雷城、加利福尼亚全境以及新墨西哥。但是墨西哥并未屈服。1847 年2 月23 日，在著名的布埃纳维斯塔战役中，美军大获全胜。9 月14 日，美军深入墨西哥，占领了其首府墨西哥城。刹时间，美国国会及政府内外想要并吞整个墨西哥的叫喊甚嚣尘上，由于国会内韦伯斯特等多数辉格党人的一致反对，波尔克最后才不得不决定进行和谈。 1848 年2 月2 日美国与墨两哥签订《瓜达卢佩-伊达尔戈条约》。战争遂正式结束。
根据条约，墨西哥承认以得克萨斯西部的格朗德河为美墨两国边界，并以1500 万美元代价，将加利福尼亚一带割让给美国。这一地区包括美国今日西南部的绝大部分，即加利福尼亚州，新墨西哥州、亚利桑那州、内华达州、犹他州及科罗拉多和怀俄明两州的一部分。美国得地达230多万平方公里，约为今日美国大陆的1/4。就扩张美国领土而言，波尔克的“功绩”仅次于杰斐逊。
波尔克任内，除得克萨斯并入美国外，衣阿华于1846 年12 月28 日加入美国，成为第二十九州。威斯康星于1848 年5 月，29 日成为美国第三十州。波尔克任内另一件事是1848 年1 月24 日，詹姆斯·马歇尔在加利福尼亚发现了金矿。年底，波尔克在最后一次国情咨文中证实了此事。一时举国若狂，纷纷奔向金矿区，形成美国历史上的“淘金热”，这一狂热至1849 年达到最高潮。