南阳守齮战于犨今洒南平顶山西南东。大破南阳秦军。楚军追至南阳，想绕过直接西进。张良劝道：“沛公虽欲急入关，秦兵尚众，距险。今不下宛，宛从后击。强秦在前，此危道也。”于是刘邦还攻南阳。南阳守见楚军去而复返，并包围宛城。于是想自杀。于是他的门客陈恢劝他不要先死，并出使楚营。双方约定后，南阳守投降。
刘邦率军继续西行，夺取了丹水今河南淅川。而高武侯戚鳃、穰侯王陵这时也加入刘邦所率领的楚军，攻下西陵、胡阳。并且番君吴芮的部将梅鋗也至此，与沛公军联合，攻下析今河南西峡县、郦等地。刘邦所部楚军进至武关东。于是派魏人宁昌使秦，而这时章邯也投降了项羽。赵高杀秦二世，令使者还报刘邦，欲约分关中。刘邦以为赵高为诈计，于是从张良之计，使郦食其、陆贾游说武关今陕西丹凤县武关镇秦将降，然后袭击武关秦将，夺取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取了秦的汉中、巴、蜀等地。接着汉军再在嶢下击败秦军，这样刘邦所部楚军进至秦都咸阳附近的蓝田。秦廷在组织了最后的力量与刘邦军队大战于蓝田，刘邦军队没有象当年周文那样一败涂地，而是大破秦军。这样秦朝失去了所有的抵抗力量。汉元年十月，秦王子婴素车白马，系颈以组，降轵道位于今陕西省西安市城区旁，向刘邦献上了传国玉玺。秦朝至此灭亡，共立国15年零47天。
刘邦很得意地进入了咸阳城，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋起来，准备就此住下，享受享受。樊哙劝他注意天下还没有平定，别忘了秦的前车之鉴。刘邦根本听不进去，直到张良亲自来劝，他这才认识到了问题的严重性。于是，刘邦将军队撤退到了灞上。刘邦到达灞上之后，便召集当地的名士，和他们约法三章：杀人者死，伤人及盗抵罪。其他秦朝的苛刻法制一律废除，这使他得到了民心支持。
项羽在打败章邯，迫使他投降之后，也领兵直奔关中而来。范增劝他趁机除掉刘邦这个对手，项羽就下令准备，要在第二天进攻。这时的刘邦在兵力上无法和强大的项羽相抗衡，他只有十万军队，不可能战胜项羽的四十万精兵。最后是项羽的叔叔项伯“救”了刘邦：项伯和刘邦的谋士张良很要好，见项羽要进攻了，便连夜潜入营中找到张良，让他赶紧走，以免被杀。张良却说不能丢下刘邦，就将消息透露给了刘邦。惊慌之下，刘邦赶忙向张良要计策，张良让刘邦赶紧去见项伯，说明自己没有野心和项羽争夺王位。刘邦依计约到项伯，说明自己并无称王野心，并于项伯约成儿女亲家。项伯当天夜里就返回了军营，他对项羽说：“因为沛公先行进入关中，为我们扫除了入关的障碍，我们这才能顺利地通过函谷关，沛公是有功劳的人，我们不应该猜疑他，应该真诚相待”项羽听了，便决定不再进攻刘邦。第二天，刘邦来到了项羽的军营，只带了樊哙、张良和一百名精锐亲兵。到了项羽的大帐鸿门。当面向迎接他的项羽赔礼道歉。项羽请刘邦入内赴宴，项羽的亚父范增，一直主张杀掉刘邦，在酒宴上，一再示意项羽发令，但项羽却犹豫不决，默然不应。范增召项庄舞剑为酒宴助兴，趁机杀掉刘邦，项伯为保护刘邦，也拔剑起舞。掩护了刘邦。没有成功。这就是成语“项庄舞剑。意在沛公”的由来。后来刘邦借故离开，回到了大营。在鸿门宴上，刘邦表现出了极高的沉着与冷静。能够全身而退，除了张良、项伯、樊哙的力保之外。关键是刘邦的冷静与沉着。
鸿门宴之后，项羽便领兵西进，项籍入咸阳，烧阿房宫、杀秦王子婴。又分封各路将军为王，刘邦被封为汉王，领地是巴、蜀和汉四十一县，国都为南郑今陕西南郑。并封秦降将章邯、司马欣、董翳意为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。同时削减刘邦军队至三万人。项羽自己称为西楚霸王。掌握军队最高统帅权。楚怀王熊心被尊为义帝。后来把义帝迁到别的地方给杀了。项羽分封，表面上看去论功行赏，但是实际上却是对原诸侯势力进行重新组合，对服从自己的予以分封行赏，并没有照顾原诸侯在本国的实力与影响。因此从一开始埋下乱源。而且他又拒绝了谋士自王关中的建议。坚决衣锦还乡。汉元年二月，诸侯罢戏下，各回国。刘邦只好忍气吞声接受封号，于四月领兵入汉中、并烧毁栈道用木板架在悬崖上铺成的道路，表示再也无意出兵，以麻痹项籍。11月，刘邦挥军东出，拜韩信为大将，明修栈道，暗渡陈仓今陕西省宝鸡市东 ，名为义帝发丧，派人联络诸侯，公开声讨项籍，拉开了4年楚汉战争的序幕。很快，在汉元年五、六月份，齐国贵族后裔田荣不满分封，赶走齐王，杀胶东王，自立为齐王。刘邦乘乱重返关中，击败章邯，迫降司马欣、董翳，并用计欺骗项籍，使其相信自己取得关中后已心满意足，再也不会东进了。项籍放心去攻打田荣，对西边没有加强防范。项羽则最终陷入齐地泥潭无法抽身。这样给了刘邦绝佳的机会。
公元前205年5月，刘邦乘项籍在齐国停留的机会，率领诸侯联军56万一举攻占彭城。短暂的胜利是刘邦失去理智，天天与诸侯们喝酒庆祝。项羽闻之，急率轻骑兵3万奔袭，联军被杀十万，溺水淹死十万，刘邦仅率数十骑逃脱，反楚联盟瓦解。
同年6月，刘邦到达荥阳，一路收集败兵，并派韩信于萧索之间击败了楚追兵，得以喘息，稳住了阵脚，遂重整军队，依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。7月，一直负隅顽抗的章邯终于兵败自杀，刘邦解除了后顾之忧；且在逃往荥阳前便派人说服英布反楚，联络彭越扰楚后方；派韩信开辟北方战场，攻魏俘魏王豹，破代，灭赵杀陈余。公元前205年冬，项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃出荥阳。项籍加紧围攻荥阳，并夺取成皋。为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛今河南南阳、叶今叶县南，想引诱项籍南下。为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳 今江苏邳州南。项籍被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。公元前204年7月，项籍以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。
刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻雎阳今河南商丘南、外黄等地，再次迫使项羽回救。公元前204年11月，刘邦用计再次收复成皋，斩杀了项羽大将曹咎。项籍在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武今荥阳北与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项籍腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟。以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。公元前203年10月，项籍引兵东归。