刘邦，沛丰邑（今徐州丰县）中阳里人，为汉民族和汉文化的伟大开拓者之一，对中国的统一有着突出贡献。
周郝王五十九年（乙巳，公元前256年）十一月二十四日，刘邦出生在沛丰邑一农户人家。不知是天意还是巧合，出生这年，立国879年的周王朝灭亡。史书记载，刘邦长得额高隆起，鬓角胡须皆很漂亮，左边大腿有72颗黑痣。虽然生于农家，却不喜下地干活，所以常被父亲刘煓训斥。但是刘邦依然故我，常常仰慕信陵君魏无忌为人，欲投之门下，遂西行至大梁（今河南开封，当时魏国都城）。然而，信陵君已卒，遂至外黄（今河南商丘民权县）转投信陵君门客张耳门下。
秦始皇六年（庚申，公元前241年），吕雉出生，字娥姁，秦代单父县（今山东单县）人。其父吕公有四个孩子：长子吕泽、次子吕释之、长女吕雉、次女吕媭。
秦始皇十五年（己巳，公元前232年），项羽出生，为楚国下相（今江苏宿迁）人，为楚国名将项燕之孙，其父项渠早逝，由季父兼叔父的项梁、项伯抚养成人。少年时项羽曾随项梁读书，没多久就不愿学了；项梁又教他学剑，没多久又不愿学，项梁因此生气，项羽却说：“读书识字只能记住人名，学剑只能和一人对敌，要学就学万人敌。”项梁遂教之兵法，项羽虽然高兴，但也只学了个大概，不肯深加研究。
秦始皇二十二年（丙子，公元前225年），魏国灭亡，张耳遭到秦廷通缉，门客皆散。时年30岁的刘邦亦返回家乡沛县（今江苏徐州下辖县），不久混了个泗水亭长之职（亭长是管十里以内的小官）。虽然整日游手好闲，因为仗义疏财，在当地小有名气。一次，刘邦送服役之人前往咸阳，恰逢秦始皇出巡，大队人马簇拥着威风八面端坐在装饰精美车上的秦始皇，刘邦脱口而出：“大丈夫生当如此！”
同年，吕公躲避仇人，逃至好友沛县县令家中，县里官员、豪绅听说县令家中来了贵客，皆来凑钱喝酒。因为来客太多，所以规定献钱不满一千者只能于堂下饮酒。时值，身无分文的刘邦到来，自己高喝一声‘泗水亭长刘季，贺钱万’，直接进至堂上入座。吕公听此一喝，大为惊讶，起身相迎。吕公会相面，见刘邦面相异于常人。等到客人走后独将其留下，并对他说：“我平生为人相面极多，从没见到你这样的面相。我有一女，长相不恶，许你为妻，希望不要嫌弃。”刘邦此时尚未娶亲，只与一个曹姓女子姘居一起，并且生有一子，名刘肥。听说此等好事，当即答允。
吕公回至内室将许亲一事告诉老婆。吕夫人不解：“你平日总说这个女儿是个富贵相，定要许个富贵人家，如何嫁与一个区区亭长。”吕公答：“此非女子所知也。”尽管妻子反对，吕公还是将长女吕雉嫁刘邦。刘邦大吕雉15岁，据《史记·高祖本纪》记载：刘邦时任亭长，不常在家，吕雉留于家中料理家计、田间劳作，夫妻二人十分恩爱。婚后数年，吕雉生下一女，取名刘乐。
秦始皇二十三年（丁丑，公元前224年），秦将王翦率60万大军攻楚，楚国危亡在即，倾全国之力以项羽的祖父项燕为将，迎击秦军。王翦因势而变，采取坚壁固守方针，囤积60万士兵休养生息，每日比赛投石为乐。楚军多次挑战，秦军始终不出，两军相峙日久，楚军以为秦军长期驻守占领土地，于是撤军东归。王翦伺机起兵追击，猝不及防的楚军仓促应战，结果大败，项燕兵败自杀。
秦始皇二十四年（戊寅，公元前223年），楚被秦灭。项家成为秦廷打击对象，项梁带着侄子项羽逃奔栎阳（今陕西临潼北）。这里距秦都咸阳很近，反而比较安全。但是，项梁在该地杀了人，只得带着家人逃奔吴中（今江苏苏州）。史书记载：项羽稍长成人，身高八尺有余，力能扛鼎，吴中弟子皆畏服于他。
秦始皇三十六年（庚寅，公元前211年），吕雉又生下一子，名刘盈。一日，一位过路老丈向吕雉讨水喝。当看到吕雉面相时，大赞道：“夫人是天下贵人。”吕雉又让他给两个孩子看看，老者看到刘盈说：“夫人之所以成为贵人，是因这个儿子。”后来又看女儿刘乐，亦称是位贵人。老丈走后，刘邦归来，吕雉说起其事，刘邦询问老丈去向，吕雉说：“尚未走远。”刘邦随即出门追赶，并向老丈求问自己面相。老丈看后道：“刚才说夫人及令郎等生相大贵，都是由于您的洪福，您的面相贵不可言。”刘邦连忙称谢：“果真如老先生所说，我永远会记住您的指点。”
秦始皇三十七年（辛卯，公元前210年），秦始皇东游会稽，驾船渡浙江（钱塘江），项梁领项羽前往观看。时年23岁的项羽指着秦始皇对叔父说：“他是可以被取代的。”项梁捂其嘴：“不要胡乱说话，否则会给全族招来祸患。”
秦二世元年（壬辰，公元前209年），已在亭长之位干了18年的刘邦，再次为泗水郡押送徒役前往骊山（今陕西临潼东），结果很多徒役半路逃走。刘邦估摸着，等到了骊山大约全都逃光了，因此走至芒砀山（今河南永城芒山镇）时，停下饮酒，趁夜将所有役徒放了，但有十余个心甘情愿相随。于是，刘邦带着这十来人抄小路前往别处躲避。
通过一片沼泽地，刘邦让其中一人前边探路。不久探路之人回报：“前边有条大蛇挡住去路，我们还是往回走吧！”刘邦借着酒劲道：“大丈夫走路，有何可惧！”于是赶至前面，拔剑将蛇斩成两截，继续往前又走几里，遂醉卧在草地上。后边人走至斩蛇地方，见一老妇暗夜哭泣，问之原因，老妇说：“有人杀了我的儿子。”有人又问：“你孩子为何被杀？”老妇说：“我儿是白帝之子，变化成蛇挡于道路中间，却被赤帝之子杀了。”众人以为老妇扯谎，正要打她，妇人忽然不见。于是慌忙赶上刘邦，将此事转诉之，刘邦听后暗暗高兴，自此这些人更加坚定追随着他。就这样，刘邦带着这伙人跑到芒砀山落草为寇，吕雉却受牵连下狱。
时值，沛县监狱中一个叫任敖的狱卒，平日与刘邦关系交好，见有狱卒虐待吕雉，一怒之下将狱卒打伤。自此，监狱再无人敢欺吕雉。后来吕雉掌权，将之任为御史大夫。不久，多亏萧何相助，吕雉得以释放，并且常去芒砀山与刘邦会面。做为山寇的刘邦时常东藏西躲，每次吕雉都能轻易寻到。刘邦十分好奇，问其原因，吕雉答：“你所在之处有五彩祥云其上，一见就知你的所在。”刘邦听此，十分高兴，有意无意向大家传播，致使来投之人越来越多，被当地人称为‘沛中豪杰’。
同年七月，秦末农民起义爆发，陈胜、吴广率军攻占陈县（今河南淮阳），自立为王，建立‘张楚’政权，公然与秦廷对抗。受到鼓舞的各地郡县民众，纷纷杀秦官吏予以响应。时值，陈胜自称张楚王，封吴广为假王，使监诸将，四攻荥阳；又遣大将武臣领兵三千，往徇赵地。
八月，张楚王大将武臣称赵王，狄县（今山东高青）人田儋称齐王，故魏王子魏咎称魏王。于是，楚、赵、齐、魏已成四国。后来，赵王武臣遣大将韩广略燕。一入燕境，各城望风归附，燕地大定，韩广遂据当地，自称燕王。
面对这种情况，沛县县令有些害怕，觉得如其坐以待弊，不如主动响应。其部下县吏萧何、曹参出谋，应将本县流亡之人召回，一可增加力量，二可杜绝后患。县令觉得有理，便让屠狗为业的樊哙（刘邦娶姐姐吕雉，樊哙娶妹妹吕媭，二人为连襟关系）前去邀请已拥数百之众的刘邦。然而，樊哙前脚走，县令反悔，害怕刘邦回后不受控制，弄不好自己小命不保。因此关闭城门，准备捉拿萧何、曹参，二人闻讯逃往城外，正遇樊哙引着刘邦归来。于是将信函射入城中，鼓动城中百姓杀掉出尔反尔的县令，由大家一起保卫家乡。百姓平日就对县令不满，遂杀县令开城门迎入刘邦，竭力推举他为‘沛公’。
时年48岁的刘邦顺从民意，设祭坛、立赤旗，自称‘赤帝之子’，很快扩充人马三千，就连泗水卒史周苛、周昌兄弟亦加入到该阵营。这支队伍后来成为汉军核心，西汉王朝诸多开国功臣、阁僚，皆出自这支队伍。
九月，秦会稽太守殷通见天下义军蜂起，秦亡势成必然，亦想乘机捞点利益，对项梁说：“大江以西全都造反了，这是上天亡秦时刻，听说先发制人，后发为人所制，我欲起兵，想用你和桓楚（后成为项羽的大将）为将。”项梁道：“桓楚今逃亡大泽乡，不知人在哪里，只有我侄子项羽知道。”次日，项梁令项羽暗藏利剑，随同自己一起去见殷通，并且将之杀死，夺取印绶，自任会稽太守，项羽为裨将，收吴中及下县兵8000余人，公然起义，很快占领吴中地区。
十月，扩军后的刘邦随即攻略周边郡县，先后攻占胡陵（今江苏沛县和山东鱼台之间）、方舆（鱼台）。占领老家丰邑之后，留下同乡雍齿防守，自己则带队攻打薛县（今山东滕州东南）。丰邑不仅是刘邦的家乡，亦是众多士兵的家乡，如此重要之处托付雍齿，足见对之的倚重信任。然而，在刘邦最困难之际，雍齿居然将丰邑拱手让给魏王咎。刘邦大怒，数攻丰邑不下，准备向在留地（今江苏沛县东南微山湖区）的景驹（楚国贵族，自立为楚假王）借兵。
十二月，农民起义首领陈胜连连失利，被迫退至下城父（今安徽蒙城西北），为其车夫庄贾所杀。陈胜从谋划起义到兵败被害，前后不过半年，但他点燃的反秦烈火烧红了大半个中国。当月，赵王武臣亦为其将李良所杀，赵相访得故赵后裔赵歇，立为赵王。
这一年，广平人召平奉陈胜之命徇广陵（今江苏扬州），听闻陈胜败逃，渡江前往吴中，矫陈王之命，拜项梁为楚王上柱国，并令他引兵西击秦。项梁受命，以八千人渡江而西。一路上，陆续收编陈婴、黥布、蒲将军等领导的几支义军，到达下邳（今江苏雎宁北）时，兵力已达六、七万。此时，广陵人秦嘉已立楚族景驹为楚王，驻扎彭城（今江苏徐州），听闻项梁接受陈胜指挥，便欲攻击。项梁大怒，对军吏说：“陈王先举事，战不利，未闻所在。今秦嘉背叛陈王而立景驹，逆无道。”遂挥军进击，将秦嘉击杀。
秦二世二年（癸巳，公元前208年）正月，刘邦借兵途中，遇到正欲投奔景驹的张良，二人一见如故。张良多次以《太公兵法》提示刘邦，皆能领悟，张良叹息：“沛公智识，定出天授，否则我所进说，统是太公兵法，别人不晓，为何沛公独能神悟？”遂随刘邦，不复他去，封为厩将（负责车马后勤的将领），成为刘邦谋士，是西汉开国功臣之一。
同年二月，秦将章邯的部将司马夷攻略楚地屠相（今安徽淮北），刘邦率军迎击，于萧县（今安徽宿州）西与秦军展开战斗，结果败退留地，补充粮草后再次攻秦，夺取砀邑（今安徽芒山镇），收砀兵6000，加上本有的3000人，共得9000军士，又乘胜攻取下邑（今安徽砀山县）。
三月，刘邦觉得人数差不多，遂从下邑出发，再次攻打丰邑，结果仍未攻克。
六月，项梁已知陈胜败亡，召集部下至薛（今山东滕州一带）议事。时值，年已70的居巢（今安徽巢湖西南）人范增前来投奔，并劝项梁：“陈胜失败本就应当。秦灭六国，楚最没有罪过。自从楚怀王为秦扣留再没返回，楚人怀念他直至今日。因此楚南公（楚国第一贤者）说：‘楚国即便只剩下三户人家，灭亡秦国的也必定是楚国。’如今陈胜首先起事反秦，不拥立楚王后裔而自立为王，势力不可能长久。现在您于江东起兵，楚地蜂拥而起的将领争相归附，正是因为您家世代为楚国将领，能够重新拥立楚王后代的缘故！”项梁认为所说有理，遂至民间寻找到放羊的楚怀王之孙芈心，将之拥立为王，建都（江苏）盱眙，仍称‘楚怀王’，以顺百姓愿望，项梁则自号为‘武信君’。
刘邦听闻项梁于薛地召集各路义军首领，共商破秦大计，遂留军队围守丰邑，自率百余骑前去借兵。项梁为刘邦增兵五千、五大夫将10人，这才攻下丰邑，雍齿投奔魏王豹。就这样，刘邦成为项梁手下一员大将。时值，张良因见齐、赵、燕、魏俱已复国，独韩尚无主，于是趁此机会谋复韩国，立韩公子成为韩王，项梁命张良为韩司徒，西略韩地。
项梁于薛地休整数月，引兵西攻，在东阿（今山东聊城）大破秦军，领兵西进到达定陶（今山东菏泽），再度打垮秦军。与此同时，项羽、刘邦在雍丘（今河南杞县）与秦军交战，亦大败秦军，还将三川郡守李由（丞相李斯的长子）斩杀。项梁连破秦军，开始骄傲轻敌。时值，原楚国令尹宋义劝其：“打了胜仗后，如若将领骄傲、士兵怠惰，必会失败。现在士兵已有松懈情绪，秦兵却一日日增多，我真替您感到担心！”然而项梁不听，还令宋义出使齐国。途中，宋义遇到齐国使者高陵君显，前去拜见项梁，宋义对他说：“您慢点去，可以免遭一死，快步赶去将遭祸殃。”
九月，秦将章邯大破项梁于定陶（今山东菏泽），项梁战死。此时，项羽、刘邦正在围攻陈留（今河南开封陈留镇），得到叔父战死消息，只得商议退军，避开秦军主力。于是，项羽引军驻扎彭城（今江苏徐州）西，吕臣（陈胜起义军将领）驻军彭城东，刘邦则驻军砀郡（今河南商丘），三面形成崎角之势、互相策应。楚怀王听闻项梁战死，从盱台（今江苏淮安）赶至彭城，收编项羽、吕臣军队由自己统领，任命吕臣为司徒，又以刘邦为砀郡长，封‘武安侯’，仍旧统领砀郡军队。
为了分化秦军力量，楚怀王决定派遣一支队伍前去攻打秦国都城咸阳，并与诸将约定：“先入定关中者为王。”由于此时秦军主力尚强，各路将领不敢率先入关，唯独项羽因叔父为秦所杀，愿意前往。但是，楚怀王手下老将皆认为：“项羽生性慓悍、为人残暴，不及宽厚仁义的刘邦。”楚怀王遂拒绝项羽请求。
再说，章邯击杀项梁之后，开始轻视敌人，认为楚兵不足为虑，遂渡黄河攻赵。被围困在巨鹿（今河北邢台）城的赵王歇遣使至楚求援。这时，齐国使者高陵君显尚在楚国，遂对楚怀王说：“宋义推论武信君项梁军队必败，不几日，项梁果然战败身死。军队尚未开战就能预见败亡征兆，此人颇懂兵法。”楚怀王遂召宋义前来商议，相谈甚欢之下封之为上将军，项羽为次将，范增为末将，领兵5万前往救赵。于是，各路将领皆率部归顺宋义，号称其为‘卿子冠军’。与此同时，刘邦则奉楚怀王之命——西入关中。于是，刘邦奉命由砀郡出兵，北上先行收集陈胜、项梁散卒，再至成阳（今山东菏泽西北胡集镇），与秦军夹壁杠里，大败秦将王离。
十月，宋义军至安阳（今山东曹县东），逗留46日不进军。项羽建议：“秦军围困赵军形势紧急，应当火速领兵渡河，楚军在外攻击，赵军在内接应，必然可破秦军。”宋义却说：“不对，要拍打叮咬牛身的大虻虫，不可以消灭牛毛中的小虮虱。现在秦军攻赵，就算胜了军队亦会疲惫，我们可等待这个时机发动进攻；不胜我们就率军擂鼓西进，这样必定攻克秦军。”接着又说：“身披铠甲、手持武器、冲锋陷阵我不如你，运筹帷幄、制定策略，你却不如我。”这句话无疑在说，项羽是个有勇无谋的将士。于是，宋义在军中下达命令：“凡是猛如虎、狠如狼，倔强不服指挥之人，一律处斩。”就这样，宋义非但不发兵，还派儿子宋襄前去齐国为相，亲自将之送往无盐县（今山东东平），大摆宴席招待宾客。
十一月，天降大雨气候转冷，士卒又冷又饿，项羽见状，对大家说：“本当合力攻秦，却长久滞留不前；今年收成荒歉、百姓贫困，士兵吃的是蔬菜拌杂豆，军中没有存粮，竟还宴请宾客，不领兵渡过黄河，取赵地粮食以作军粮，与赵军合力击秦，却说什么乘秦军疲惫之机再进攻；以秦之强盛攻打新建的赵，势必战胜；赵被攻占，秦更强大，哪还会有疲惫之机可乘！况且我军刚吃败仗，楚王坐立不安，集全国兵力交付将军，国家安危在此一举。居然不体恤士兵，而去屈从一己私利，这不是以国家为重的忠臣！”
次日清晨，项羽于营帐中将宋义斩杀，旋即出帐向军中发布号令：“宋义与齐合谋反楚，楚王密令我将之杀死！”众将皆惧其勇，无人抗拒，一致声称：“首先拥立楚王的是将军您家中之人，如今又是您诛除乱臣贼子。”于是共推项羽为代理上将军。项羽索性派心腹将弁，追赶宋义之子宋襄杀之；再遣桓楚向楚怀王报告此事，楚怀王只得承认既成事实。
十二月，项羽遣当阳君英布与蒲将军率两万士卒渡河，多次进攻章邯给王离（秦将王翦之孙、王贲之子，因功受封武城侯）军中输送粮食甬道。秦军陷入被动，但巨鹿之围并未解除，赵将陈余再次发出求请信号。燕齐诸国，各有援兵来赴，张耳之子张敖亦从代郡招兵万余入援，但见秦兵军威，只是远远驻扎观望，不敢迎战。项羽则率全部兵马抢渡漳河，破釜沉舟，烧毁庐舍，只备3日粮饷，抱着必死决心，与秦军大战9次，秦军大败。时值，共有诸侯军队十余支前来救赵，皆因畏秦不敢出战，作壁上观，唯独项羽率领楚军骁勇作战。大破秦军后，项羽召见前来援赵的各路诸侯将领，众将领进入辕门（军营大门），无不膝行而入，不敢仰视。自此，项羽成为诸侯上将军，公认的反秦领袖。
当月，在栗县，刘邦遇楚怀王所封的刚武侯柴武，夺其军增至4000余人。
这一年，刘邦新纳定陶（今山东荷泽定陶）戚懿为妾，因为擅跳‘翘袖折腰’之舞，深得宠幸，生下第3子刘如意。刘邦觉得此子颇似当年自己，十分喜爱。从出土的汉画石像来看，其舞优美，甩袖、折腰都有相当技巧，并且花样繁杂。戚懿长于鼓瑟，节奏分明，刘邦听之常不由自主地随声唱和，高兴时二人开怀大笑，忧伤时相对唏嘘不已。
秦二世三年（甲午，公元前207年）二月，刘邦攻打昌邑（今山东巨野东南），遇彭越（民间领袖）率一千民众前来相助，亦未攻下。因为时间关系，刘邦决定舍弃昌邑，率军继续西行。军至高阳（今河南杞县高阳镇），军中一骑兵家住此地，其邻居郦食其来找他说：“我听说沛公傲慢看不起人，但他有许多远大谋略，这才是我真正想要追随的人，只是苦于没人介绍。你见到沛公，可以这样对他说：‘我家乡有位郦先生，年纪已有60多岁，身高八尺，人们都称他是狂生，但是他自己说并非狂生。’”骑兵说：“沛公不喜欢儒生，有人头戴儒生帽子来见，他会将此人帽子摘下，在里边撒尿；在和人谈话时，动不动破口大骂，您最好不要以儒生身份去向他游说。”郦食其道：“你只管按我教你的这样说。”骑兵回后，按嘱咐转告刘邦，遂召之来见。
郦食其来到馆舍，刘邦正坐床边，两个女人服侍洗脚。郦食其进去，只作长揖而没倾身下拜，并对刘邦说：“您是想帮助秦攻打诸侯呢？还是想率领诸侯灭掉秦？”刘邦大骂：“你这个老小子！天下人同受秦苦已久，所以诸侯陆续起兵，你怎么说助秦攻打诸侯？”郦食其说：“如果您下决心聚合民众，召集义兵推翻暴虐无道的秦，就不应用这种倨慢的态度接见长者。”刘邦听罢，停止洗脚，穿戴整齐后将之请到上宾座位，向其陪礼。
郦食其谈及六国合纵连横所用谋略，刘邦听后喜出望外，命人端上饭食，问其计谋。郦食其说：“您将乌合之众、游兵散勇收集起来，总共不到一万，如以这些人与强秦对抗，可说羊探虎口。陈留乃天下交通要道，城中又有许多存粮。我与陈留县令交好，我到他那去一趟，让他向您投降。若是不听，发兵攻城之时，我在城内为内应。”就这样，刘邦遣其先往，自己带兵紧随，于是没费什么周折将陈留拿下，其功封为广野君。郦食其还有个一弟郦商，陈胜起兵时亦聚众数千响应，亦率其部四千投奔刘邦，封为将军。
同年三月，刘邦进攻大梁（今河南开封西北），不克。因不愿在路途中过多耽误，率军绕行西进，与秦将杨熊部队相遇白马（今河南滑县东）、曲遇（今河南中牟东），大败秦军。
四月，刘邦南攻颍川（今河南禹县），再次与张良相遇，二人合兵一处，遂攻韩地。时值，赵别将司马卬欲渡黄河西攻关中，刘邦恐其抢占头功，急攻平阴（今河南孟津北），切断黄河渡口；与秦军在洛阳城南交战，结果打败，只好南出轩辕关（今河南登封西北），改道从武关（今陕西商南境）入关中。
当月，秦将章邯率军驻扎棘原（今安阳西边，洹水南岸），项羽与诸侯国之军驻扎漳水以北。时值，章邯兵力尚有20余万，然士气低落，不堪再战。秦二世胡亥派人前来遣责，章邯害怕，遂遣长史（幕僚性质官员）司马欣回都城向解释。司马欣到达咸阳，却被赵高留在司马门（古代重要城门）3日，不予接见。司马欣感到情况不妙，急忙绕道逃回营中，这才躲过赵高的追杀。一回军中，司马欣便劝章邯另做打算。于是，章邯派人前往项羽营中和谈，但没谈妥。
六月，项羽令蒲将军领兵，日夜兼行渡过三户津（今河北磁县西南古漳水上），屯于漳水南岸，切断秦军南退之路。章邯见势不利，果然向南退却，项羽率全军于洹水上大破秦军。连连失利的章邯，只得再次派人来见，项羽亦因粮草所剩不多，遂接受其投降。当月，再说刘邦军队抵达南阳郡，此地郡守退入宛城（今河南南阳）固守。刘邦一心西进，再次绕道准备西行，张良劝止：“您虽急于进关，但一路上秦兵还很多，且都扼据险要地势。现在不拿下宛城，一旦宛城秦兵追杀过来，那就腹背受敌了。”刘邦采纳其议，率兵乘夜抄小路悄悄返回。拂晓时分，将宛城重重围住。南阳郡守见此，准备自刎，门客陈恢劝止。
于是，陈恢翻越城墙前来拜见，并对刘邦说：“我听说您应楚王之约，先攻入咸阳者称王。现在您停下攻打宛城，这可是个大郡城，相连城池数十座，官民皆认为投降必定被杀，下定决心据城坚守。现在您停下攻打，士兵伤亡肯定惨重；如果停止攻打率军西进，宛城军队一定尾随其后；我站在您的角度替您着想，不如约定投降条件，封赏南阳郡守，让他留下守住南阳，您则率领宛城士兵一同西进。这样一来，那些尚未降服城邑，听闻消息，定会争相打开城门相迎，岂不畅通无阻。”刘邦从之。
七月，南阳郡守投降，刘邦封之为殷侯，同时封陈恢为千户。就这样，刘邦兵不血刃的获取宛城，解除西进后顾之忧。南阳郡内其他城池见太守已降，纷纷起而效之。当月，项羽在洹水南殷虚（今河南安阳西北小屯村一带）亦接受章邯及其部将司马欣、董翳的投降。章邯降楚后，被项羽封为‘雍王’，以司马欣为上将军，率领秦军降卒为先行部队，向秦都咸阳进发。诸侯士卒原曾在秦服过徭役，受尽秦兵鞭挞，而今秦兵投降，诸侯兵皆把秦兵当奴隶驱使，引起秦兵不满。项羽非但不从中消解矛盾，将降军收为己用，反而行至新安（今河南新安）城南时，将20余万降卒连夜坑杀。
九月，刘邦过武关而西。时值，赵高已杀秦二世嬴胡亥，秦子婴再杀赵高，派军拒守峣关（今陕西蓝田之南，武关之西）。峣关是古代南阳与关中的交通要隘，易守难攻，是通往秦都咸阳咽喉要塞，亦是拱卫咸阳的最后一道关隘。
十月，刘邦率军抵达峣关，欲亲率两万兵众强行攻取，张良劝谏：“目前秦关兵力尚强，不可轻举妄动。听说峣关守将是个屠夫之子，这种市侩小人，只要用点财币就可打动。您可派先遣部队，预备5万人粮饷，在四周山间之上增设大量军队旗号，虚张声势，以作疑兵；再派郦食其多带珍宝财物前去劝诱，事情就可成功。”刘邦依计而行，峣关守将果然献关投降，并且表示愿与刘邦联合进攻咸阳。但是，张良又认为不可，并且分析：“峣关守将叛秦，部下士卒未必服从。如果士卒不从，后果不堪设想。不如乘秦兵懈怠之机将之消灭。”于是，刘邦命部将周勃引步兵潜逾绕峣关后面，径袭秦营，战败的秦军弃关退守蓝田（今陕西蓝田县西）。刘邦乘胜追击，绕过峣关，穿越蒉山，继续西进，抵达灞上（今西安市东25里）。
此时，仅做46天的秦王嬴子婴见兵临城下，只好以绳系颈，乘素车白马，捧着御玺符节，至轵道（今陕西西安北）迎降。至此，立国133年的大秦帝国灭亡。此时，有人建议杀秦王婴，刘邦拒绝：“当初怀王遣我入关中，就是因我比较宽容，而且人已投降，杀之不祥。”遂派人将秦王婴看守起来，然后整军进入咸阳。
初入咸阳都城，刘邦便被数不清的金银珍宝、宫宇楼台、美女娇娃所吸引，将士们亦冲进皇宫抢夺库府内珠玩宝器，只有萧何跑到秦相府中，将相关户口、图册收藏，以便刘邦了解辖治情况。然此时的刘邦也准备入住咸阳宫中过太平日子，樊哙见此，说：“你是想打天下，还是想当个富家翁？这些东西使秦灭亡，您要它干什么？”刘邦不听，张良亦劝：“就是因为秦无道，所以您才能推翻他进入咸阳。既然您已为天下铲除祸害，就应布衣素食以示节俭。现在大军刚入秦地，您就沉溺享乐，这是所谓的助桀为虐。常言道‘良药苦口利于病，忠言逆耳利于行’，愿沛公听从樊哙的话。”刘邦顿悟，当即封存财物，退回灞上军营，以待项羽等各路起义军。
十一月，刘邦听取张良建议，与当地名士约法三章：‘杀人者死，伤人及盗抵罪，其余法律禁令一律废除。’老百姓早就受够秦的严酷律法，这一决定大快人心，百姓纷纷拿着酒肉前来慰问。刘邦没有接受，并派人对他们说：“我们粮仓不缺粮食，大伙别费心，还是将东西拿回去吧！”就这样，刘邦的军队在关中百姓心中留下极好印象，皆称：“真希望沛公能留在关中为王。”
十二月，项羽率诸侯军向关中（指‘四关’之内，即东潼关，也称函谷关、西散关、南武关、北萧关）挺进，到达函谷关，不料有兵把守，不得进入。时值，刘邦的左司马曹无伤派人向项羽密报：“刘邦打算在关中称王，要任秦王婴为相，欲将全部珍宝据为己有。”项羽大怒，将40万大军驻扎戏下（今陕西临潼东北）。此时，刘邦军队只有10人，两军实力悬殊，距离不过40里。项羽谋士范增亦劝：“刘邦以前在关东时贪财好色，自从入关，对财物丝毫不染，对美女也不接近，从这些方面可看出其志向不小。我命人观望，发现刘邦头上云气呈龙虎五彩景色，这是天子之气。赶快攻打，千万不要坐失良机！”就这样，项羽决定次日出兵攻击。
然而，项羽的叔父项伯为楚左尹，早年在秦朝时因怒杀人，逃奔下邳，正遇张良，引同居处，方得避祸。因怕军队攻入时伤及朋友，连夜前往刘邦军营，私下劝张良赶紧逃走。张良道：“我是代韩王成来送刘邦，如今他有危难，我却私自逃走，这是不义。”遂引项伯来见刘邦，结果项伯反被刘邦拉拢，加之张良从中搓合，二人还结为儿女亲家。项伯回后告诉项羽：“刘邦将咸阳库房宝物全部封存，还不是等着你去接收？派兵守关，也是为了安全起见；刘邦攻破咸阳有功，为你进军铺平道路，你却要攻打别人，有些说不过去。”项羽听罢，甚觉有理，遂放弃攻打刘邦的想法。
次日清晨，刘邦带着少量随从前往项羽所在的鸿门，将项伯昨晚对项羽所说再次重申一遍，并且表示自己绝无争夺天下之心。项羽听此，十分惭愧道：“这是您的左司马曹无伤说的，否则我何至于如此！”遂留刘邦一同饮酒。其间，范增几次暗示项羽动手，项羽不忍，默然不应。于是，范增找来项羽的堂弟项庄，席间舞剑，伺机刺杀刘邦。‘项庄舞剑，意在沛公’，不言而喻。项伯见此，亦拔剑起舞，挡在刘邦面前，不令项庄得逞。张良跑到帐找到樊哙，让其速与刘邦解围。
樊哙手持盾牌和剑，强行进入帐营，用眼瞪着项羽，头发直竖起来。项羽握剑问：“客人是干什么的？”张良答：“沛公的参乘（车夫兼警卫员）樊哙。”项羽道：“壮士，赐酒。”左右递上酒来，樊哙拜谢，站着将酒喝了。项羽又说：“赏他一条猪前腿。”左右送来一条生猪前腿。樊哙将盾牌扣于地上，把猪腿放置其上，拔出剑切着吃。项羽问：“壮士！还能喝酒吗？”樊哙答：“死都不怕，一杯酒有什么可推辞的？秦王虎狼一样的心肠，杀人惟恐不能杀尽，处罚唯恐不能用尽酷刑，所以天下反叛。楚怀王曾与诸将约定：‘先打败秦军进入咸阳者为关中王。’现在沛公打败秦军先入咸阳，一丝东西不敢动用全部封存，领军退回灞上，等待大王来到。这样劳苦功高，没得封侯赏赐，反听小人谗言，欲杀有功之人，我私意认为大王不要采取这种做法。”项羽无话可答，只好默然。
刘邦借口入厕，亦将樊哙叫出，道：“我现在得走了，但是出来时没有告辞，怎么办好？”樊哙道：“做大事不必顾及小节，讲大礼不需躲避小责备。现在人家好比菜刀砧板，我们则是鱼肉，已到这种地步，还辞什么别？”于是，刘邦决定先行离去，留下张良道歉解释。张良问：“大王来时带了什么礼物？”刘邦答：“带了一对玉璧，献给项羽；一双玉斗，送给亚父（范增）。但看他们发怒，不敢亲自献上，还是由你替我献上吧！”刘邦留下车马随从，独自骑马脱身，樊哙、夏侯婴、靳强、纪信4人徒步追随，从郦山脚下取道芷阳小路20里返回军中。一回军中，刘邦遂将曹无伤斩杀。
再说，张良估摸刘邦走远，进帐与项羽辞别，并且声称：“沛公不胜酒力，不能当面告辞。让我奉上白璧一双，敬献大王；玉斗一双，拜献大将军。”项羽问：“沛公现在哪里？”张良答：“听说大王有意责备，脱身独自离开，已经回到军营。”于是，项羽接受玉璧，将它放置座位之上；范增接过玉斗却放置地上，拔出剑来将其敲碎，道：“唉！这小子不值得与他共谋大事！夺项王天下之人，必是刘邦。”
‘鸿门宴’后不几日，项羽率兵进入咸阳大肆屠杀掠夺，不但将已投降的秦王婴杀死，并且火烧秦王宫，大火连续烧了三月都未熄灭，致使百姓苦不堪言。
西汉高祖元年、西楚霸王元年（乙未，公元前206年）元月，项羽遣人请命于楚怀王芈心，言下之意是想让他封自己为王。然而，楚怀王坚持当日‘先入关中者为王’之约，要立刘邦为王。项羽大怒：“他这个怀王都我家所立，身无寸功，何以一人得天下；灭秦定天下的功劳，全是我们打拼出来。”于是，项羽尊楚怀王为‘义帝’，并说：“古之帝者，地方千里，必居上游。”迫义帝迁都至偏远的长沙郴县。
同年二月，项羽自称‘西楚霸王’，立都彭城，自行分封18个诸侯王。分封诸王时，项羽、范增因忌刘邦，不想让之为‘关中王’，又因担心背约之名，遂与范增策划：“巴、蜀地方道路险峻，秦时流放之人皆居住蜀地，而巴、蜀两地也处关中，将刘邦封为汉王，也不算失言！”就这样，刘邦封为‘汉王’。项羽为削弱其实力，只给3万人马，并将关中一分为三，封秦降将章邯为雍王、司马欣为塞王、董翳为翟王，号为‘三秦’，企图以此3人控制关中，防止刘邦东进。
这种分封，表面上看是论功行赏，实际却是对原诸侯势力的重新组合。刘邦虽然愤怒，经萧何、张良劝阻，于是隐忍不发。天下分封已定，张良欲离刘邦回韩再事韩王成，刘邦赐金百镒、珠二斗。张良却将金、珠悉数转赠项伯，使之再为汉王请求加封汉中地区。于是，刘邦都于南郑（今陕西南郑县东北），占据秦岭以南巴（今重庆嘉陵江北岸）、蜀（今四川）、汉中（今陕西秦岭以南及湖北西部三部）。
1. 刘邦为汉王，得巴蜀汉中地，都于南阳；
2. 秦降将章邯为雍王，得咸阳以西之地，都于废丘；
3. 秦降将司马欣为塞王，得咸阳以东至黄河之地，都于栎阳；
4. 秦降将董翳为翟王，得上郡之地，都于高奴；
5. 魏王豹徙封河东之地，号曰‘西魏王’，都于平阳；
6. 赵王歇徙封代地，仍号赵王，都于代郡；
7. 赵相张耳为常山王，得赵故地，都于襄国；
8. 赵将司马卬为殷王，得河内地，都于朝歌；
9.瑕丘申阳，原是赵相张耳臣属，曾迎项羽军于河，封河南王，得河南地，都于洛阳；
10.楚将当阳君英布为九江王，都于六；
11.楚柱国共敖为临江王，都于江陵；韩王成仍为韩王，仍以原都阳翟为都；
12.燕王韩广徙封辽东，改号‘辽东王’，都于无终；
13.燕将臧荼为燕王，得燕故地，都于蓟；
14.鄱君吴芮为衡山王，都于邾；
15.齐王田市徙封胶东，号曰‘胶东王’，都于即墨；
16.齐将田都为齐王，得齐故地，都于临淄；
17.旧时齐王族田安为济北王，都于博阳。
18.韩王成封号如故，仍都于阳翟。
四月，分封完毕，各诸侯前往封国，项羽亦急于东归。时值，谋士韩生看到关中地理形势优越，建议项羽就在关中称霸。项羽却说：“富贵不回故乡，就像穿着锦绣衣裳在夜间行走，有谁能知？”韩生听此，大叹其目光短浅，并说：“难怪人家都说‘楚人沐猴面冠耳’，果然如此！”项羽得知，将之烹杀。
再说，刘邦接受分封领兵入汉中（今陕西南郑），张良送其出境，然后还韩。一路之上，许多来自其他诸侯王的军士自愿投至旗下，就连项羽部下韩信亦投过来。然而，刘邦并没发现其才能，只让当了一个管理粮草的小官，这令韩信十分失望。一次偶然机会，萧何与之交谈，发现韩信有胆有识，是个不可多得的人才，遂向刘邦举荐，却没引起重视。路上行走两月有余，不少士兵水土不服，因为思念家乡，开始有人溜走。韩信久不被用，亦离汉营。萧何得知，策马追赶。时值，刘邦正为军中开溜之人渐多烦心，忽有军吏来报：“萧丞相也跑了。”刘邦一听着慌，遣人去找，居然一连两日不见踪影。
萧何前去追赶韩信，直到天黑月亮都出来，才追及，生气道：“韩将军，咱们总算一见如故，怎么不说一声，就这么走了？”接着又说了一大堆劝之回去的话，韩信就是不吭声。此时，滕公夏侯婴亦策马追至，二人苦苦相求，韩信这才答应转回。这就‘萧何月下追韩信’的故事。萧何回后，立刻去见刘邦，再次重申韩信的重要性：“韩信是当今数一数二的人才，跑了就再没第二个。大王如果只想当个汉中王，没有韩信也就算了；如果准备打天下，那就非用韩信不可。”刘邦听此，遂拜韩信为大将军。与此同时，项羽因恼张良跟从刘邦，又因韩王成没有战功，将之带至彭城废为穰侯，将之杀死。这样一来，致使张良再无牵挂，一心跟随刘邦，为之出谋划策，封为成信侯。
五月，齐国贵族后裔田荣因不服项羽分封，羁留胶东王田市，拒绝齐王田都，将之击败，田都只都逃奔彭城。于是，田荣杀死田市后，又西向袭击济北，刺死济北王田安，并有三齐之地，自称齐王。
七月，汉军行至褒中（今陕西汉中褒城镇），张良观察地势，四周群山环抱，沿途悬崖峭壁，只有栈道凌空以度行人。遂向刘邦提议，待汉军过后将栈道全部烧毁，以示再无东顾之意，消除项羽猜忌之心，同时亦防背后袭击。
八月，赵国将领陈余亦因未被封王，心生怨恨，与田荣联合反叛。项羽率军前往征讨。刘邦趁此，听取韩信之谋：‘明修栈道，暗渡陈仓’，潜军北进。陈仓（今陕西宝鸡东）为刘邦进入关中必经之处，两地之间险山峻岭相隔，并有雍王章邯把守。韩信遣樊哙领一万人前去修之前烧毁的栈道，以麻痹陈仓守将，精锐部队则顺着无人知晓的小道，翻山越岭偷袭陈仓，顺利挺进关中，击败章邯，迫使司马欣、董翳投降。于是，号称‘三秦’的关中地区，全被刘邦占领。赵相张耳，西行入关，正值汉兵平定三秦，也即投顺汉王。
韩信这一计策，当初张良建议烧毁栈道时，就曾向刘邦提及。刘邦见二人先后所定计策，竟然不谋而合，高兴道：“英雄所见，毕竟略同！”刘邦令萧何坐镇关中、安抚百姓，同时负责兵员、粮饷的筹措补给，自已则率大队人马向项羽的彭城进发。时值，项羽令吴县县令郑昌为韩王，抵抗汉军。
十月，河南王申阳投降刘邦。
十一月，韩王郑昌亦降，刘邦改立韩王成的庶子韩信为韩王，是为韩王信，从而战领河南。此后，韩王信带领韩地军队跟随刘邦。当月，项羽暗令义帝羋心途经之地的三王（九江王英布、衡山王吴芮、临江王共敖），将义帝击杀于途中。
西汉高祖二年、西楚霸王二年（丙申，公元前205年）正月，项羽北至城阳，田荣引兵来战，结果被项羽击败。时值隆冬，刘邦因不便远征，重还关中，暂都栎阳。
同年三月，春回寒尽，刘邦进略河北，亲率曹参、灌婴等从临晋关（今陕西大荔东）渡河，西魏王豹迎降。至河内（治怀、今河南武陟西南），殷王司马卬亦降。一时间，刘邦力量大增，南渡平阴津（今河南孟津县东北），到达洛阳。时值，新城三老董公等挡于马前哭诉：“臣闻‘顺德者昌，逆德者亡’；‘兵同无名，事故不成’，所以说‘明其为贼，敌乃可服。’项羽无道，击杀义帝，为天下贼也！夫仁不以勇、义不以力，大王宜率三军之众为之素服，以告诸侯而伐之，这样一来，四海之内莫不仰视您的德望！”刘邦遂为义帝发丧，大哭一场，举哀三日，遣使告之各路诸侯：“天下共立义帝，北面事之。今项羽击杀义帝于江南，这种大逆不道的行径，希望各位能随我一同攻打。”于是，正式拉开长达4年之久的楚汉战争序幕。
四月，各路人马集于洛阳，共达56万余。诸军分三路向彭城进军。因怕项羽乘虚袭秦，特使韩信留驻河南，扼要防守，自引大兵东出。南路攻克阳夏、萧（今安徽萧县）；北路攻克煮枣（今山东荷泽西南）、定陶（今山东），与中路军会师，继续东进攻占彭城。时值，刘邦被轻而易举得到的胜利冲昏头脑，不但没有安抚此地赢得人心，反而恶习复发，得意忘形之余大肆收集财宝美女，整日置酒宴会。
项羽得知都城失陷，留诸将继续击齐，自率精锐3万疾驰南进，击破樊哙在瑕丘（今山东兖州）的守军，即往胡陵（今山东鱼台东南）至肖县（今江苏肖县西北）一带，采取包围闪击。刘邦数十万乌合之师难以协调指挥，一经接战即遭惨败，几乎全军覆没。此战，刘邦不但失去刚到手的彭城，其父亲与夫人吕雉亦被项羽俘虏，本人也被楚军包围。正在危急之际，从西北方向忽然刮来一阵狂风，折木发屋、飞沙走石，白昼变晦，致使楚军阵形失散。刘邦这才得以率数十骑突围，途中偶遇与母亲走散的一双儿女：刘盈、刘乐，遂带着他俩一起逃跑。
楚军追之甚急时，刘邦多次将刘盈、刘乐踢下车，幸亏驾车的夏侯婴再三停车将他俩抱回车中。刘邦为此生气，十余次欲杀夏侯婴。后来，刘盈做皇帝时，为了感激夏侯婴当年救命之恩，将紧靠皇宫北面一等宅第赐予，名曰‘近我’，意思是‘这样可以离我最近’，以示对夏侯婴的格外尊宠。刘邦一行逃奔下邑（今安徽砀山），沿途收集残部退守荥阳（今河南郑州西），与韩信会合，这才大败追击而来的楚军，成功地将追兵遏阻在荥阳以东，暂时稳定战局。彭城大战后，刘邦退守荥阳、成皋一线，楚汉战争进入相持阶段。
从这一年四月起，汉、楚两军在该地展开了一场长达两年零三个月的争夺战，史称‘成皋之战’。刘邦及其文臣武将多方配合、正面相恃、翼侧迂回、敌后骚扰，将36计差不多巧妙运用了一半，才调动、疲惫、削弱了强敌项羽，从而成为我国古代战争史上以弱胜强的又一成功典范。然而，彭城之战失败初起，诸侯王望风转舵，纷纷背汉向楚。魏王豹认为楚必胜，汉必败，遂以回家探望老人疾病为由，私统精兵回到河东（今山西运城），断绝黄河渡口。刘邦派郦食其前去游说，未能成功。魏王豹遣使联络项羽，请楚将项它偕同自己大将柏直、冯敬修城驻屯古城（今山西永济开张镇古城村），塞临晋关（今陕西大荔东），自己则固守安邑都城，总督防汉兵事。
六月，汉王刘邦立5岁的儿子刘盈为太子，使丞相萧何为辅，监守关中，并且大赦罪犯，命充兵戌。
八月，萧何慨然受命，愿在关中转漕输粟，担任兵饷，并请汉王仍往荥阳，督兵东讨。
九月，刘邦遂命韩信、曹参、灌婴为正副将，统率大军伐魏，兵临黄河。魏王豹遣大军驻扎蒲坂（今山西永济蒲州），堵塞从临晋（今陕西大荔）到蒲坂的黄河渡口。韩信将计就计，于黄河西岸布置更多疑兵，多陈渡船，做出欲在此渡河架式。暗中却向北急行至夏阳（今陕西韩城），从这里‘以木罂缻渡军’至对岸，直捣魏都安邑（今山西夏县）。魏王豹大惊，急忙回救，然而军心已乱，只得献城投降，举家被俘。汉于当地设置河东、上党、太原三郡。刘邦怜惜魏王豹之才，并未杀他，只令他与御史大夫周苛同守荥阳。随之，刘邦采纳韩信‘北举燕、赵，东击齐，南绝楚之粮道，西与大会荥阳’的策略，对楚实施战略包围，在坚持与楚正面作战同时，为韩信增兵3万，令其率军东进，开辟北方战场。
十月，韩信、张耳引军东下，欲从井陉关（今河北井陉北）出击赵国。赵王歇与陈余得知，尽起国中之兵，号之20万，聚兵井陉口，抢占有利地形迎击。
时值，陈余部下广武君李左车提议：“韩信与张耳去国远斗，锋不可挡。但其致命弱点是离根据地太远，粮草不易接济。加之‘井陉之道，车不得方轨，骑不得成列’；远行跋涉数百里，汉军粮草必在大军之后。应以奇兵3万从小路出击，切断粮草。这样汉军进不得前、退不得还，背后又有奇兵骚挠，粮绝无援。不出十日，必将二人击败。”然陈余一介儒生，根本不懂用兵之道，常称义兵不用诈谋之计，不以为然道：“吾闻兵法十则围之，倍则战。韩信虽然号称数万，实际只有几千，跋涉千里来袭，力量已尽，碰到这样的敌人不与之交战。以后碰到更强大的敌人该如何？那时诸侯皆会认为我们胆小，随便前来攻伐了！”韩信听谍兵所报，方敢引兵东下，在离井陉关30里处扎营。
当夜，韩信传令调动军队，选拔两千名轻骑，每人手持一面红旗，从小路赶往赵军大营。行至能望见赵军军营，便即隐蔽，勿让赵军发现。这两千轻骑出发后，韩信通知裨将军中开饭，吃完立即行动，并且宣布当日打败赵军，再举行大会餐。诸将虽不信有这样轻易而举之事，倒也不敢违抗。准备停当，韩信派1万士兵先行出发，走至井陉关下绵蔓河边，背靠河水摆开阵势。赵军关上望见，皆笑韩信不懂军事常识，背水而阵，没有退路，一旦不利，连逃都没地跑。
天刚亮，韩信下令发起进攻，陈余亦令赵军打开营门迎战。双方混战良久，韩信、张耳见机已至，命令士兵假装战败，向水边败退。赵军一见争相力攻，追及水边。汉军战士见已无路可见，返身回去与赵军殊死作战。与此同时，韩信早先派出的二千轻骑早等在赵营附近，见赵军去追败兵，营壁已是一空，立即驰入赵壁，将赵军旗帜全部换上汉军红旗。赵军与汉军激战半日，准备撤回营壁，暂作休整；回头一看，只见营壁全部皆是汉军之旗，认为汉军已经俘虏赵王，当即陷入混乱，四散奔逃。韩信见状，挥兵反攻，汉军轻骑亦从背后夹攻，大败赵军。陈余逃跑至泜水（今河北境内的滏阳河）被杀，赵王歇被俘。李左军亦被擒，韩信将之释放，待以上宾之礼，并且向之请教。李左车不愿多谈，声称：“败军之将，不可言勇！”
井陉一战，河东、河北大部分地区落入刘邦之手，而项羽的右侧翼完全暴露在汉军面前，这对刘邦在楚汉之争中从劣势转为优势，起到决定性作用。
十二月，刘邦部下随何至九江，说服九江王英布前往荥阳归顺汉王。项羽闻知大怒，诛戮英布全家。刘邦支助英布兵甲一万，令其扼守成皋，施机可行报复。
西汉高祖三年、西楚霸王三年（丁酉，公元前204年），刘邦在荥阳修筑甬道，用以过河取敖地粮食，项羽军多次侵夺甬道，导致无法取得粮草补充。刘邦窘急，郦食其提议：“过去汤伐桀，封其后于杞；武王伐纣，封其后于宋。如今秦朝失德弃义，侵伐诸侯社稷，灭六国后，使无立锥之地，陛下如能重立六国后代，授之印绶，其君臣百姓必然感恩戴德，愿为臣属。那么陛下可以南面称霸，楚王亦得裣衽而朝。”刘邦从之，令人当即刻印。郦食其尚未出发，张良从外面回来谒见，正在吃饭的刘邦遂将此事告之。张良当即反对，并且谈及以下八点：
“过去汤伐桀而封其后于杞，是有把握制桀于死命，如今陛下能制项羽死命？武王伐纣而封其后于宋，是有把握得到纣之人头，如今陛下能得到项羽人头？武王入殷，表商容之闾，释箕子之囚，封比干之墓，如今陛下能封圣人之墓、表贤者之闾、饰智者之门？武王发巨桥之粟，散鹿台之钱以赐穷人，如今陛下能散府库之财以赐贫穷？灭商之后，偃武修文，以示天下不复用兵，如今陛下能偃武修文不再用兵？休马于华山之阴，以示无所为；放牛于桃林之阳，以示不再运输积聚？加之天下游士离其亲戚，弃其祖坟，去其故旧而从陛下，皆只盼将来能有咫尺封地。如今要复六国，立韩、魏、燕、赵、齐、楚诸国后代，则天下游士各归其主，从其亲戚，返其故旧，陛下那时与谁一起打天下？”刘邦听到这，饭也不吃了，大骂郦食其：“竖儒，几乎败了老子的事！”于是销毁印绶。
同年四月，刘邦提出议和，项羽准备同意，范增却说：“此时很容易就能击败汉军，现在放走他们，以后定会后悔！”于是，项羽急攻荥阳。刘邦对范增这人确实头疼，谋臣陈平抓住项羽多疑自大的特点，利用反间计离间二人关系。这日，项羽遣使前来，陈平叫人准备丰盛筵席，并且询问使者‘亚父近日可好’，当听闻此人不是范增所派使者，而是项王使者时，随即更换佳肴，改以粗食供上。使者回报，项羽怀疑范增与汉有私，渐夺其权。范增大怒：“天下事大局已定，君王您自己看着办吧！希望您把我这把老骨头赐还，让我回乡为民。”项羽允之，结果范增还未至彭城，因背上毒疮发作而亡。
五月，项羽听闻范增病卒，疑中汉王之计，心有愧意，急攻荥阳。形势危急之下，刘邦的将军纪信出谋：“臣有一法，可保汉王逃走。”在得到刘邦同意后，纪信领两千军乘黄车假扮刘邦出城，声称‘粮道断绝，刘邦愿意投降’，项羽出营审视，等至近前，车上之人并非刘邦，这才得知上当，刘邦已逃，气极之下，下令齐集火炬烧毁龙车，将车上的纪信活活烧死。当项羽攻下荥阳，刘邦早已逃奔至战略要地成皋（今河南荥阳汜水镇），仅留御史大夫周苛、裨将枞公、前魏王豹同守荥阳。然等刘邦一走，周苛与枞公以‘反国之臣，难与共守’为由，杀死魏王豹。
六月，刘邦抵达成皋，闻知纪信被焚一事，欲向关中招集兵马，再拟出救荥阳，替之报仇。时值，有一辕生劝止：“大王不必再往荥阳，但教出兵武关， 南向宛洛，项羽必虑大王复袭彭城，移兵拦阻，荥阳自可解围，成皋亦不致吃紧；大王就算遇到楚兵，更当坚壁勿战，与他相持数月，一可使荥阳、成皋暂时休整，二可待韩信、张耳平定东北，前来会师。合兵之后再战荥阳，我逸彼劳，我盈彼竭，还怕不能破楚！”刘邦从之，出师武关，至宛城时果闻项王引兵前来，于是竖栅掘濠，与之相持。项羽到来，数次挑战，不见汉兵迎敌，忽有探马急报，原来魏相国彭越，渡过睢水，大破下邳驻扎的楚军，杀死楚将薛公。项羽大怒，于是拔营东去，往击彭越。
再说，彭越自受汉王刘邦之命为魏相国，略定梁地十余城。至汉王败走睢水，楚兵漫山遍野，争逐汉军，彭越亦保守不住，北走河上。项羽进攻荥阳之时，彭越则往来游弋，截楚粮道，早令项羽恨得牙痒，这次又杀楚将，更令项羽暴跳如雷，所以倍道东行。一遇彭越之兵，如虎似狼，彭越当然抵挡不住，只得退渡睢水，向北奔去。项羽追赶不及，只得转头往攻刘邦，而刘邦已由宛城转入成皋，与英布合兵驻守。
六月，项羽接到准报，引兵西进，顺道攻占荥阳，擒周苛烹之、枞公杀之，进逼成皋。警信传入城内，刘邦暗忖荥阳已失，成皋恐亦难守，遂带同夏侯婴潜开北门，驰出成皋，北向修武，往依韩信、张耳。原来，韩信本欲伐齐，只因赵地未平，乃与张耳四处剿抚，驻扎修武县中。刘邦到达后，命张耳带领本部速回赵都镇守，使韩信募集赵地丁壮，东往攻齐，所以修武驻扎的营兵，尽行截留，自己统带，再出击楚。
八月，郎中郑忠献上绝粮计策，刘邦从之，令部将卢绾、刘贾、率领步卒两万，骑士数 百，渡白马津，潜入楚地，会同彭越焚掠楚粮。彭越更乘势夺还梁地，共取睢阳、外黄等17城。时值，项羽尚在成皋，不防燕西粮饷又被彭越等焚掠一空，复要前往亲击。
九月，项羽封大司马曹咎为海春侯，并且嘱咐：“将军等守住成皋，切勿出战，但当阻住汉王，使他不得东来，便是有功。我料此番击彭越，大约15日就可平定梁地，再来与将军相会，须要谨记我言，毋违毋误！”尚恐曹咎误事，复留塞王司马欣助守，这才引兵东行，击陈留、外黄、睢阳等城，皆下之。然而，张良、陈平以激将法，支使兵士往诱曹咎。
十月，原本坚守不战的曹咎，最终忍耐不住，召集兵马，杀出城去，司马欣不及拦阻，只好跟随，结果二人中伏，自尽而亡。刘邦直入成皋，命向敖仓运粟，复引兵出屯广武，据险设营，阻住项羽回军，又遣人打探韩信之军攻齐情况如何。时值，郦食其志在邀功，请命自愿招降齐王，省得劳兵，刘邦允之。
韩信北路战线进军顺利，先是平定魏、代、赵、燕等地，接着进击齐国，尚未至平原渡口，得知郦食其已说齐王田广（田荣之子）以及齐相田横（田荣之弟）归汉，于是停止进攻。然范阳辩士蒯通劝谏：“将军奉诏攻齐，转战年余，才得平赵国50余城，反不及一竖儒凭着三寸之舌降服齐国70余城，岂不可愧可恨！为将军计，不如乘齐无备，长驱直入，扫平齐境，方得将所有功绩，归属将军。”韩信从之，率兵渡河击齐。齐国本就决计降汉，遂对汉军戒备松懈，韩信乘机袭齐驻守历下军队，一直打到临淄。齐王田广认为郦食其耍弄自己，将之烹杀后奔高密，并向项羽求救。于是，韩信占据齐国故地。
项羽自梁地还兵，进逼广武，与刘邦夹涧屯军相持。项羽每日约战，刘邦因有敖仓运粟，源源不断，所以只是不出。但是，项羽粮草日益减少，不便久持，心中忧急，加之齐王田广乞发救兵，踌躇再三，为免韩信来会刘邦，只得使大将龙且、副将周兰，领兵20万东往援齐。项羽深知持久战对己不利，欲迫刘邦投降，遂将俘获的刘太公押至两军阵前，对着刘邦大叫：“你再不投降，我就把你父亲给煮了！”不料，刘邦满不在乎回答：“我们是结拜兄弟，我父亲就是你父亲，如果你定要这么做，别忘了分我一杯羹！”气得项羽差点晕过去，拔剑要杀刘太公，项伯劝止：“现在胜负未定，杀他亲人也无济于事，反而徒加仇恨。”
项羽一计不成又生一计，提出要与刘邦单打独斗，然刘邦却说：“我只斗智不斗勇！”紧接着细述项羽10条罪状：“你这样大逆不道，为天下所不容，我领正义之军前来讨伐，何苦与你单独挑战！”项羽大怒，操起弓箭射中刘邦胸口。为了安镇军心，刘邦故意弯下腰摸着脚趾说：“你的箭术不怎么样，不过射中我的脚趾头。”
十一月，楚将龙且至高密与齐王田广合军，韩信亦至潍水西岸。于是，齐、楚与汉军夹潍水而陈。时值，龙且属吏提议：“韩信引兵远来，定必向我奋斗，骤与接仗，恐不可当。最好坚壁自守，勿与交锋。汉兵去国二千里，客居齐地，无城可因，无粮可食，怎能长久相持？旬月之后，不战自破！”龙且不以为然道：“韩信鄙夫，有何能力？曾闻他少年贫贱，衣食不周，甚至寄食漂母，受辱胯下。这般无用之人，怕他甚么！况且我奉王命前来救齐，若不与之接仗，只等他粮尽乞降，也没什么战功。今诚一战得胜，威震齐国，齐王必委国听从，平分土地，一半给我，岂不名成利就！”于是约定明日交战。韩信当即令部将傅宽赶办布囊万余，潜往潍水上流，就在水边取泥沙贮入囊中，择视河面浅狭地方，将囊沈积，阻住流水。待至明日交战，听到军中传发号炮，速命兵士捞起沙囊。
次日一早，韩信自往挑战，径渡潍水，曹参、灌婴等军则留西岸埋伏。潍水本就深广，不能徒涉，只因傅宽壅住上流，水势陡浅，方可渡登对岸。于是，韩信渡过岸东，摆成阵势，龙且、周兰亦驱众过来。两军交战约一二十回合，未分胜负，汉将渐渐退却。韩信拍马就走，仍向潍水奔回。龙且一边追赶一边大笑道：“我说韩信无能不堪一击吧！”于是，周兰亦随之同往，一同渡河的约有二、三千骑。忽听一声炮响，震动波流，水势突涨，既而澎湃汹涌，河中楚兵，无从立足，多被漂去。东岸未渡人马，尚在观望，未曾遇险。然已渡河的龙且、周兰与二、三千骑兵，遭到韩信、曹参、灌婴三路人马围杀，龙且被斩，周兰被擒，二、三千骑兵全被扫得干干净净，东岸楚兵遥见战殁，不寒而栗，立即骇散。齐王田广见势不妙，欲奔城阳，不及被俘。韩信责其烹杀郦食其，推出斩首。
韩信潍水之战击败楚军，平定齐地，直接从北面对项羽形成威胁。此时，项羽因战略上的失误，尽管打了不少胜仗，却就疲于奔命，已成强弩之末，十分忧虑的他想挽回这种颓势唯一办法，便是策动韩信叛汉，从而形成三足鼎立之势。按照当时形势，韩信如果叛汉自立，则天下三分，势同鼎足；韩信若向汉击楚，则项羽必败；反之，韩信若向楚击汉，则刘邦必亡。项羽分析天下之势，遂遣盱眙人（今江苏盱眙东北）武涉前去劝说韩信，劝其叛汉自立，韩信谢绝：“我事项王多年，不过是个郎中，位不过执戟之士。所说没人听，所出计谋没人用，这才离楚归汉。汉王刘邦授我上将军印，让我率领数万之众，脱衣给我穿、分食与我吃，而且言听计从，所以才有今日成就。汉王如此亲近信任，如果背叛不会有好结果。所以至死不会叛汉，请替我辞谢项王美意。”
时值，谋士蒯彻亦至韩信军中，欲以奇特之说打动，对韩信说：“我曾学过相人之术。人之贵贱在于人所生就的骨法，人的喜怒哀乐则在人的容貌气色；人的成功失败在于人做什么样的决断，以这些互相参照，可以万无一失。从你面部看，位不过封侯，而且以后危险不安；但从你后背看，实在贵不可言。然而，势在人臣之位而有震主之威，我为足下感到担心。跟在别人后面为仆，不可能成为万乘之主；守着担石之禄舍不得丢弃，便到不了卿相之位。所以说‘猛虎之犹豫，还不如蜂虿之致螫；骐骥骏马之踯躅，还不如弩之安步缓行；孟贲狐疑不前，还不如庸人匹夫一心达成目标。虽有尧、舜那样的智慧，沉吟闭口不言，还不如聋子哑巴随手指挥。’这些话的意思就是，机不可失，时不再来。”然韩信终不为之所动，蒯彻见此，害怕以后招来祸患，假装疯病，当起巫师。
十二月，韩信遣使禀告刘邦：“齐人狡诈多变、反复无常，加之南边与楚相邻，如果不设王，难以镇抚齐地。望能允我为假（代理）齐王。”刘邦见信大怒，当着使者破口大骂：“我久困于此，朝夕盼他来助，想不到他竟要自立为王！”张良、陈平正坐刘邦旁边，二人清楚认识到韩信对楚汉战争的胜负有着举足轻重作用，遂于案下轻踩刘邦。精明的刘邦反应极快，立感失言，改口骂道：“大丈夫要做就做个真王，何必做什么代理的假王！”
西汉高祖四年、西楚霸王四年（戊戌，公元前203年）二月，刘邦遣张良拿着印绶前往齐地，封韩信为齐王，并征调其军队攻楚。
同年七月，汉王刘邦固守广武，日望韩信到来，乃立英布为淮南王，使之再赴九江，截楚后路；一面贻书彭越，仍侵梁地，断楚粮道。因怕项羽粮尽欲回，又取出太公挟制多端，遂与部下商议救父之法，洛阳人侯公从军多年，愿意前往说服项羽放归太公。项羽因为粮绝，见人前来说和，于是订下和约，楚、汉两国，划定疆界，彼此相安，不再侵犯。侯公因说合有功，封为平国君。
八月，‘成皋之战’耗时两年有余，两军皆很疲惫，加之彭越带兵驻扎梁地，往来袭击骚扰，断绝楚军粮道供给，项羽再难与汉军抗衡，只得停战和谈，并以鸿沟为界，东西分治，签下‘鸿沟之盟’。
九月，项羽将刘邦的父亲太公、夫人吕雉以及从吏审食其还回，准备领兵东归。时值，刘备亦欲西还。张良、陈平劝止：“汉有天下大半，诸侯皆附之；楚军兵疲食尽，正是天亡楚之时。今若放弃攻打，所谓‘养虎遗患’。”于是，刘邦撕毁盟约，与韩信、彭越约定日期，分别从三地发兵，越界追击项羽。
十月，刘邦追项羽至固陵（今河南太康），然韩信、彭越援军没有如期到达。项羽挥兵反击，汉军大败，退入固陵壁垒坚守。时值，刘邦问张良：“韩信、彭越不听令，怎么办？”张良早对二人心思了如指掌，遂答：“楚兵既将灭亡，二人虽已受封为王，却没确定疆界，此次失约原因只有这个，陛下若能与之共分天下，立招二将。”刘邦听从张良之言，将陈地以东至沿海地盘划封齐王韩信；将睢阳以北至谷城地盘划给梁王彭越。
十一月，韩信、彭越果然发兵，还有淮南王英布与汉将刘贾，进兵九江，招降守将楚大司马周殷，前来接应汉王。三路大军，陆续趋集。就这样，齐王韩信从齐地南下，占领楚都彭城以及今日的苏北、皖北、豫东等广大地区，兵锋直指楚军侧背，自东向西夹击项羽；梁王彭越则率军数万从梁地出发，先南下后西进，与刘邦本部军共同逼迫楚军后退；汉将刘贾率军数万会同九江王英布，合兵10万自淮北出发，从西南方发动对楚地的进攻，先克寿春（今安徽淮南）、再夺城父（今安徽亳州谯城区东南），并将此城军民全部屠尽；镇守南线的楚将大司马周殷于是叛楚，屠灭6县，与英布、刘贾会师，随之北上合击项羽。
十二月，各路兵马60万陆续会集垓下（今安徽灵璧县沱河北岸），项羽被迫率十万楚军向垓下后撤。刘邦以韩信30万兵为前军，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦本人率部跟进，将军周勃断后，步步紧逼。项羽引兵1先与韩信大战，韩信失利往后退却，令左右两翼包夹楚军，楚军抵抗不住，只得后撤，韩信趁机反击，楚军大败退至壁垒坚守，刘邦乘胜领军将之重重包围。当夜，四面传来楚歌之声。这是韩信命汉军士卒高唱：“人心都向楚，天下己属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头。”面对大势已去的项羽，在营帐中酌酒悲歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝，骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何？”歌词苍凉悲壮，情思缱绻悱恻，史称《垓下歌》。
此际，这位叱咤风云的人物竟也流露出儿女情长、英雄气短的哀叹。随侍在侧的虞姬，怆然拔剑起舞，以歌和之：“汉兵已略地，四方楚歌声；大王意气尽，贱妾何聊生。”歌罢提剑自刎，以断项羽后顾之情。于是，项羽趁夜率八百骑兵突围。天亮后，刘邦的骑兵将领灌婴率五千精锐骑兵追击。项羽好不容易渡过淮河，随从骑兵仅剩百余，来到阴陵（今安徽定远西北）迷路，问一老农，得到回答：“往左。”结果左去却是一片沼泽，因为往返耽误时间，终被灌婴追及。
经过一场激战，项羽又往东去，到达东城一座山上，仅余28骑。项羽自忖不能脱身，遂对部下说：“我从起兵到现在已有8年，经过70余战，抵挡我之人皆被攻破，我打击之人也都表示臣服，未尝败北，这才称霸天下。现困于此，不是我不会打仗，而是天要亡我！今日决一死战，我要为诸君痛快一战，必定胜利3次，为诸君击溃包围。”遂分骑兵4队，并说：“我为你们杀掉对方一将！”于是命骑兵们分四面向山下冲，约在山的东面会合。项羽大呼驰下斩杀一名汉将，赤泉侯杨喜带头追赶，项羽大喝一声，杨喜人马俱惊，退后数里。汉军因不知项羽在哪队，亦分4队包抄。
项羽一路逃至乌江（今安徽和县乌江镇），乌江亭长正在江边等待，对项羽说：“江东虽小，地方千里，众数十万，亦足王也。大王急渡，独臣有船，汉军至，无以渡。”项王笑着回答：“天之亡我，我何渡为！且籍与江东子弟八千人渡江而西，今无一人还，纵江东父兄怜而王我，我何面目见之？纵彼不言，籍独不愧於心乎？”说罢，将自己坐下乌骓马赐予亭长，于是下马步战，一口气杀汉兵数百，自己亦身受十余处伤，最后挥刀自刎，时年31岁。
项羽自刎后，汉将争夺尸骸，自相残杀又死数十人。王翳得项羽头颅，骑司马吕马童与郎中骑杨喜、郎中吕胜、杨武等四将各得一体，持向汉王报功。汉王命将五体凑合，果然相符，分封5人，命吕马童为‘中水侯’、王翳为‘杜衍侯’、杨喜为‘赤泉侯’、杨武为‘吴防侯’、吕胜为‘涅阳侯’。时值，楚地望风请降，独鲁城坚守不下，刘邦大怒，欲平此城。不料到得城下，觉有一种弦诵之声，悠扬入耳，因而转念，乃将项羽首级令将士挑在竿上，举示城上守兵，传谕降者免死，于是鲁城吏民开门迎降。早先楚怀王封项羽为鲁公，现今又是鲁最后降，刘邦遂命以鲁公礼，收葬项羽尸身，就在谷城西隅，亲为发丧。
西汉高祖五年（己亥，公元前202年）正月，刘邦还至定陶，声称楚地已定，改封韩信为楚王，镇定淮北，定都下邳；彭越封为梁王，都于定陶。于，楚王韩信、梁王彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖（张耳之子）、韩王信、故衡山王吴芮（后改封为长沙王）共同上书，请刘邦即位称帝。
同年二月初三，刘邦于山东定陶汜水南面（今山东曹县北）称帝，定国号为‘汉’，是为汉高祖，定都洛阳，史称‘西汉’，中国再归统一。吕雉被册为皇后，所生儿子刘盈立为皇太子，女儿刘乐封为鲁元公主。
五月，诸侯王受地分封，共计八国（楚、韩、淮南、梁、赵、燕、长沙、闽粤）。刘邦命诸侯王皆罢兵归国，所有部下士卒，除量能授队外，亦俱遣令还家，本身免输户赋。
六月，刘邦在洛阳南宫置酒饮宴请，席上问群臣：“我们之所以成功，原因何在？”有的说皇上能与大家同甘共苦，有的则说项羽自私自利、残暴不仁。刘邦总结：“你们只知其一，未知其二。论运筹帷幄之中，决胜千里之外，我不如张良；镇国家、抚百姓、供饷馈，不绝粮道，我不如萧何；连百万之众，战必胜、攻必取，我不如韩信。这些皆是人杰，我能做到知人善用，发挥他们才干，这才是我所以取天下的原因。项羽只有范增一人可用，还起猜疑之心，这是他最终失败的原因。”
时值，刘邦听从齐人娄敬建议，迁都咸阳以东的长安（今陕西西安），取‘长治久安’之意。刘邦出身平民，深知百姓艰辛，格外注重以温和的方式治理国家。根据当前国势，制定以下措施：一、减轻田租，将税率定为十五分之一，对于返乡军人，给予免除徭役以示奖励；二、恢复因为战乱饥饿而卖身为奴的平民身份；三、按军功授予田地、房屋；四、号召因战乱逃亡隐居之人归来，恢复原有居住地的爵位及田宅；五、为使更多人投入农业生产，商人的政治地位受到限制。
七月，刘邦大肆捕杀项羽旧部，燕王臧荼恐惧，遂叛。
九月，叛乱平定，臧荼被杀，其子臧衍逃奔匈奴，其孙女臧儿所生女儿王娡，后成为汉景帝刘启的皇后，生子刘彻，即汉武帝，当然这都是后话。刘邦杀臧荼后，封同乡卢绾为燕王。时值，刘邦听说项羽遗臣钟离昧避居下邳，由楚王韩信收留，于是遣使赍诏晓谕韩信，令拿送钟离昧入都。然韩信顾念竨情，不忍将之交出，只是托言此人不在当地。
十二月，刘邦声称出游南方云梦泽，遍召诸侯会集陈地。陈与楚西境相接，韩信既为楚王，陛下出游，当然前来谒见，结果被刘邦拿下反绑，韩信惊叹：“果如人言，狡兔死，走狗烹，高鸟尽，良弓藏，敌国破，谋臣亡，天下已定，我因当烹。”刘邦也不与之多说，缚置后车，仍由原路驰回洛阳，降为淮阴侯。
秦末战乱虽给刘邦带来机会，同时也给匈奴单于冒顿带来机会，他借中原混乱之机，策马南下，占据黄河以南河套地区，并将月氏（中国古代民族，散居中国西北，秦汉时游牧于河西走廊）从敦煌、祁连间逐驱，一直向西迁徙。
西汉高祖六年（庚子，公元前201年）春，刘邦徙韩王信（这个韩王信并非汉将韩信，他是韩襄王的庶孙，历史上常将二人混淆）主太原，都晋阳（今山西太原），以备匈奴。不久，韩王信上书，请治马邑（今山西朔县），刘邦允之。时值，刘邦已经分封大功臣20余人，其余之人日夜争功不决，刘邦亦拿不定主意如何行封。
一日，刘邦在洛阳离宫，望见不少将领三五一伙坐在沙地上谈论着，遂问张良，得到回答：“陛下不知道吗？这些人在谋划造反。”刘邦道：“天下刚刚安定，为何谋反？”张良说：“陛下从平民起家，靠了这些人才夺取天下。如今陛下做了天子，封赏之人皆是像萧何、曹参这些故旧亲朋，所杀之人皆是平生仇怨。如今军吏按功行赏，不可能每人都得封地。这些人害怕陛下不能对尽行封赏，又害怕陛下追究平日过错，疑惑被杀，所以相聚谋反。”刘邦听此，遂问如何处理。张良问：“您最恨的是谁？”刘邦毫不犹豫道：“雍齿，当年我那么信任他，将那么重要的城池交之把守，居然献与他人。”张良提议：“那么封雍齿为侯，大家就不会着急了。”刘邦从之，摆宴邀饮群臣，席间封雍齿为什邡侯。群臣喝完酒后，都高兴地说：“雍齿尚且封侯，我们还怕什么！”
同年九月，匈奴大举入侵，韩王信被之困于马邑，只得数次遣使往匈奴求和。
十月，长乐宫建成，儒生叔孙通制朝仪，威严繁琐，群臣震恐，刘邦大悦，赐叔孙通黄金500斤，然叔孙通悉散于其生徒，时人皆赞：“叔孙通真圣人也！”当月，刘邦发兵援救韩王信，却获悉与匈奴通使，疑其二心，致书责之：“专死不勇，专生不任。寇攻马邑，君力不足以坚守乎？安危存亡之地，此二者，朕所以责于君主。”韩王信得书大恐，遂与匈奴相约共同攻汉，并以马邑城投降匈奴，率军南窬句注山（今山西代县西北）以攻晋阳，攻下铜鞮（今山西沁县南），有直趋河南之势。时值，刘邦亲率灌婴、靳歙等步骑32万，北击韩王信；令樊哙、周勃、夏侯婴等率骑兵自代越霍人（今山西繁峙）西至云中（今内蒙古托克托）、武泉（今内蒙古武川），骚挠匈奴后方，然后向南会师晋阳。
十一月，天寒大雪，汉军士卒不惯耐冷，冻掉手指者十之二三。刘邦率军进至铜鞮，与韩王信军遭遇，汉军击败叛军，并与已收复马邑的樊哙会师，进驻晋阳。
韩王信北退屯于广武（今山西代县西句注山北），匈奴冒顿单于派其左右贤王各率万余骑增援，冒顿单于自率30余万骑屯于代谷（今河北蔚县以北至怀安一带）。刘邦派人前往代谷侦察敌情，冒顿单于将精锐士兵、肥壮牛马隐藏，只显老弱残小士兵、瘦弱牲畜。因此派去打探之人，皆报匈奴可击，就只娄敬回报：“两国交兵，该炫耀自己长处才是，而我所到之处看到皆为瘦羸老弱，定是敌人故意显露短处而伏奇兵，我认为这战打不得。”此时汉军已越过句注山（雁门山，地处群峰挺拔，地势险要，自建雁门关，有‘一夫当关、万夫莫开’之势），刘邦听此恼怒大骂：“齐国孬种！凭着口舌得官，竟敢胡言乱语阻我大军。”令人以镣铐将娄敬拘禁广武县，准备凯旋之后，对之进行处罚。
刘邦率骑兵疾驰，将步兵抛在后面，进至平城（今山西大同），登白登山上的白登台（位于平城东北30里），以窥匈奴之军。冒顿单于得知汉军已入平城，即纵精骑40万从四面包围而至。汉军虽经激战却难突围，困在白登山（今马铺山）上七日七夜。
后来，采用陈平计谋，重贿单于之妻阏氏。阏氏遂对冒顿进言：“军中得到消息，汉有几十万大军前来救援，只怕明日就会赶至。汉、匈两主不应互相逼迫得太厉害，现在汉帝被困山上，汉人怎肯罢休？就算你打败汉人，夺了他们城池，也会因水土不服不可能长久住下。万一灭不了汉帝，救兵一到，内外夹攻，那样我们就不能共享安乐了。”冒顿觉得所说有理，他只不过掠夺一些自己没法生产的物质以供生活，倒没想要夺刘邦江山。阏氏又说：“汉帝被围七日，军中没有慌乱，想必有神灵相助。你又何必违背天命，非得将之赶尽杀绝？不如放他一条生路，以免以后有灾难降临我们头上。”冒顿本与韩王信部下王黄、赵利约定会师日期，然二人过时未至，冒顿亦疑他们与汉军勾结，遂采纳阏氏之议，打开包围圈一角，让汉军撤出。
此战之后，刘邦认识到仅以武力手段解决与匈奴争端不可取，于是采取‘和亲’政策，成为笼络匈奴、维护边境安宁的主要手段。
刘邦返回途经赵地，赵王张敖（张耳之子）因礼聘刘邦之女鲁元公主刘乐，虽然尚未成亲，但是极尽女婿之礼，早晚亲自供给饭食，还将自己姬妾送去服侍刘邦，礼节十分卑下。然而，刘邦态度倨慢、动辄辱骂，赵国国相贯高、赵午时年60有余，曾为张耳门客，生气道：“我们大王太懦弱，对待皇上如此恭敬，换来却是如此无理，我为大王杀之。”张敖咬破手指答：“先生所说大错特错！先王亡国，多亏皇上得以恢复，才使恩德传至后代，请先生不要再提此事。”贯高等只得将此事暂且放下。
西汉高祖七年（辛丑，公元前200年）二月，刘邦于都城长安城西南兴建未央宫，其址位于今陕西西安西北约3千米处。因建在长乐宫之西，汉时称为‘西宫’。在此期间，刘邦曾问韩信：“依你看来，象我这样的人能带多少人马？”韩信答：“陛下带十万人马差不多。”刘邦再问：“那么你呢？”韩信不客气道：“臣多多而益善耳！”刘邦笑道：“你既然如此善于带兵，怎么被我逮住呢？”韩信沉吟半晌道：“你虽然带兵的能力不如我，可您有管将的能力啊！”这就是成语‘多多益善’的典故。韩信被贬之后，深知刘邦畏己才能，常装病不参加朝廷活动，深以与绛侯周勃、颍阳侯灌婴等所处同等地位为耻。
同年十月，韩王信党羽出没边疆，高祖刘邦复引兵出击。
十二月，到达东垣，寇已退去，于是南归再次途经赵国。赵相贯高遂与十几位同僚商议：“我们大王忠厚老实，不肯背叛道义；但我们不能受辱，皇上侮辱大王，我想杀之，此事与我们大王无关。事情成功归大王，失败由我们承担。”于是遣人在刘邦入住的柏人（古地名，今河北邢台柏乡县西南15公里）官驿埋伏，施机刺杀。刘邦行至本地，原该住宿，随口问身边之人：“此地何处？”得到回答：“柏人。”刘邦暗忖：“柏人，有被人迫害之意！”遂没留宿离开，致使刺杀行动失败。
西汉高祖八年（壬寅，公元前199年）三月，刘邦还至洛阳住下。
同年十月，朝廷连接北方警报，乃是匈奴犯边，往来不测，防不胜防。刘邦欲将长女刘乐送往匈奴和亲，皇后吕雉执意不允，遂找了个家人子（太子所选侍妾，有的则是服侍宫中妃嫔婢女，身份地位不高）封为长公主，送往匈奴和亲。这是历史上第一个和亲女子，可惜没有留下姓名及事迹。
十一月，刘邦决定从关东移民‘实关中’，迁徙齐楚大族田氏、昭氏、屈氏、景氏、怀氏5姓于关中（陕西中部），同时迁入的还有燕、赵、韩、魏之后。在刘邦实行的‘实关中’政策100余年间，累计迁入人口近30万，至西汉末年，其后裔已超过120万，占关中人口半数以上。
十二月，贯高策划刺杀刘邦之事泄露，张敖、贯高等被捕。当时策划的十余人争相刎颈自杀，贯高骂道：“谁让你们自杀？如今这事，大王没有参与，却要一块逮捕；大家都死了，谁替大王辩白！”于是，一行人被囚禁在栅槛密布又坚固的囚车中，押往长安。后经审理，赵王张敖的确不知此事，得以赦免，降为宣平侯。
这一年，汉政府令商人不得衣锦，不得骑马。由此可见，汉时商人地位极其低下。
西汉高祖九年（癸卯，公元前198年）二月，刘邦改封儿子代王刘如意为赵王，即将代地并入赵国，使代相陈豨守代，另任御史大夫周昌为赵相。
西汉高祖十年（甲辰，公元前197年）五月，太上皇刘太公病逝栎阳城。
同年五月，刘邦依其生前所好，葬父于距栎阳城十余华里的荆山塬，其陵寝与新丰村隔渭河遥遥相对，取其不离故乡之意。不久，改栎阳城为万年县，辖3万人口，直属中央政府掌管宗庙礼仪的太常（九卿之一，掌管宗庙礼仪）管理，以奉太上皇刘煓陵寝。万年县以县制之小，隶属之高，职能之专，用现代话讲算是中国最早的特区。时值，王侯将相，皆来会葬，独代相陈豨不至。
葬事方毕，赵相周昌提醒刘邦，督统赵国、代国边防部队的陈豨，在外独掌兵权，往来宾客众多，恐怕会有变故。刘邦命人追查，结果查出不少陈豨与宾客在财物等方面的乱纪之事。陈豨原是宛朐人氏，早年跟从刘邦入关，累著战功，得封阳夏侯，授为代相。代地北近匈奴，令他往镇，原是格外倚重。然陈豨与韩信交好，当日受命赴代时，曾至韩信处辞行，韩信对他说：“君奉命往代，代地士马强壮，天下精兵，统皆聚集，君又为主上信臣，因地乘势，正好图谋大事。若有人报君谋反，主上亦未必遽信，及再至三至，方激动主上怒意，必且亲自为将，督兵北讨，我为君从中起事，内应外合，取天下也不难了。”陈豨素重韩信之才，深以为然。
九月，陈豨反叛，自立为代王。
十月，刘邦亲自率兵前往征讨，一直心怀怨恨的韩信托病没有随行，暗中遣人对陈豨说：“只管起兵，我于城内协助。”韩信遂与家臣商议，假传诏书赦免各官府服役罪犯，发动他们袭击吕皇后和太子刘盈。部署已毕，只等陈豨消息。时值，另一家臣栾说因得罪韩信，被囚禁起来欲杀之，其弟上书告发韩信所谋之事。吕后打算将韩信召入宫，又怕他不肯就范，遂与丞相萧何谋划，假称刘邦平叛已归，陈豨被俘处死，列侯群臣皆要进宫致贺。韩信听到这个消息半信半疑，入宫道贺，亦想打探一下。然一入宫，萧何命武士将之捆绑至长乐宫的钟室杀掉，三族皆灭。萧何与韩信之间的故事，千百年来一直为后人演绎，精彩片段‘萧何月下追韩信’，最终结局却是；‘成也萧何，败也萧何’。
此时，刘邦尚在征伐路上，途经邯郸，遂向梁王彭越征兵。然而，彭越自称有病，遣将领带着部队前往邯郸交与刘邦。刘邦十分生气，派人前去谴责，彭越害怕，欲往谢罪，其部将扈辄劝道：“大王当初不去，被责备了才去，去了就会被捕，不如起兵造反。”彭越虽没听造反提议，却也打消谢罪念头，继续称病。
十一月，诸路兵马，奉檄援赵，会讨陈豨。不久，陈豨战败逃奔匈奴，韩王信为汉将柴武斩杀。于是，刘邦留周勃防御陈豨，自引诸军西归。途中想到赵、代二地不便强合，还是照旧分封，才有专责。遂至洛阳下诏，仍分代、赵为二国，封第4子刘恒为代王，使都晋阳。
西汉高祖十一年（乙巳，公元前196年）正月，一个太仆惹火彭越，准备杀之。不料，太仆逃至刘邦那里，控告彭越与扈辄阴谋反叛。于是，刘邦派使臣出其不意袭击彭越，将之逮捕，囚禁洛阳。后经主管官吏审理，认为谋反罪证具备，请求依法判处。刘邦将之废为庶民，流放蜀地青衣县。彭越向西行至郑县，恰逢吕皇后从长安而来，前往洛阳。彭越遂向吕皇后哭泣，分辩自己没有罪行，希望回到故乡昌邑。吕皇后当即答应请求，将其带回洛阳。
回至洛阳，吕皇后却劝刘邦：“彭王豪壮勇敢过人，如今将他流放蜀地，这是给自己留下祸患，不如杀之。所以，我带着他一起回来。”就这样，吕皇后让彭越门客再次告他阴谋造反，廷尉王恬开呈报请诛灭彭越家族，刘邦就此批准。
同年三月，刘邦既诛彭越，即分梁地为二，东北仍号为梁，封儿子刘恢为梁王；西南号为淮阳，封儿子刘友为淮阳王。时值，刘邦问吕皇后韩信治死之事，吕后一一述明，又问及韩信死前有何遗言，吕后声称韩信死时，后悔不用蒯彻计议，刘邦遂遣郡吏将蒯彻擒拿进京，亲自鞫问，蒯彻为己自辩，刘邦认为有理，最终释归齐国。
五月，刘邦遣大夫陆贾出使南越，规劝南越武王赵佗归汉。在陆贾劝说下，赵佗接受刘邦赐予南越王印绶，成为汉朝一个藩属国。早年，秦将赵佗被秦始皇派往岭南地区，征服百越。秦灭亡后，大家打来打去，早忘了这么一茬子，致使赵佗拥兵自重，起兵兼并桂林郡、象郡，并在岭南建立南越国，号称‘南越武王’。那时，刘邦与项羽僵持在荥阳东北的广武山已有一年多，确实腾不手来管治，只得任其发展。
此时，刘邦患病，讨厌见人，诏令守宫侍卫，不准大臣入见，就连周勃、灌婴等重臣亦不敢抗旨入内。十余日后，樊哙忍不住领着群臣排闼直入。刘邦正枕着一个宦官睡卧，樊哙见此，痛哭流涕道：“始陛下与臣等守丰沛、定天下，何其壮也！今天下已定，又何惫也！且陛下病重，大臣震恐，不见臣等计事，顾独与一宦官绝乎？且陛下独不见赵高之事乎？”一番话把刘邦说得笑起来。
七月，淮南王英布反叛。原来，吕皇后诛杀淮阴侯韩信时，英布就很害怕，跟着又杀梁王彭越，并且将之剁成肉酱，分赐诸侯。肉酱送至，英布正在打猎，看到肉酱十分恐惧，暗中部署，集结军队守候侦察邻郡，以防不测。不久，英布爱妾患疾，中大夫贲赫家其对门，为了巴结英布，遂请这位爱妾至家中饮酒。该妾回家后，称赞贲赫忠厚老实，导致英布疑心二人淫乱，欲捕贲赫。贲赫逃奔长安，告发英布有造反迹象。刘邦看报告后与萧何商议，萧何分析：“英布不应有这样的事，恐怕是结有怨仇遭致诬陷。于是暂将贲赫关押，派人暗中验证。”英布因见贲赫畏罪逃往长安，疑其定会说出自己暗中部署之事，遂杀贲赫全家，起兵造反。消息传至长安，贲赫得以释放，还被封为将军。
时值，汝阴侯夏侯婴召原楚国令尹薛公，问及此事，薛公答：“他本来就当造反。”夏侯婴不解：“皇上分割土地立他为王，分赐爵位让他显贵，面南听政立为万乘之主，为何反叛？”薛公答：“去年杀彭越，前年杀韩信，这3人有着同样功劳，是结为一体之人，自然怀疑祸患殃及自身，所以造反。”夏侯婴将此话告诉刘邦，于是召见薛公，问其计谋。薛公对刘邦说：“英布造反并不奇怪。假使英布计出上策，山东地区就不归汉王所有了；计出中策，谁胜谁败很难说；计出下策，陛下就可安枕无忧了。”
刘邦问：“何为上策？”薛公答：“向东夺取吴国，向西夺取楚国，吞并齐国，占领鲁国，一纸檄文，让燕、赵固守本土，山东地区就不再归汉王所有。”刘邦又问：“何为中策？”薛公答：“向东攻占吴国，向西攻占楚国，吞并韩国、夺取魏国，占有敖庾粮食，封锁成皋要道，谁胜谁败就很难预料。”刘邦再问：“何为下策？”薛公答：“向东占领吴国，向西夺取下蔡，将辎重财宝迁往越国，自身跑到长沙，陛下就可安枕无虑了。”刘邦请教：“依你看，英布会选择哪种？”薛公答：“选择下策。”刘邦：“为何放弃上、中而选下呢？”薛公道：“英布原是骊山刑徒，奋力做到万乘之主，这都是为了自身富贵，从不顾及当今百姓，也不为子孙后代考虑，所以会选下策。”刘邦笑道：“说的好。”遂赐封薛公千户侯。
后来，英布果如薛公所料，向东攻打荆国，最后被番阳（鄱阳县，鄱阳湖东岸）人杀死。就这样，刘邦借着谋反罪名，将楚汉相争时分封的韩信、彭越、英布、臧荼全部干掉，张耳之子张敖废为列侯，韩王信逃入匈奴后被斩，仅留下一个势力最小的长沙王吴芮。随着异姓的翦除，刘邦陆续分封9个刘姓子弟为王，以替异姓王，并且杀白马订下誓约：“非刘氏而王者，天下共击之。”这就是历史上的‘白马之盟’。
于是，刘邦顺道至沛，省视故乡父老，寓有衣锦重归之意。等到行至淮南，连接两次喜报：一即由长沙王吴臣，遣人献上英布首级；一是由周勃发来的捷音，乃是追击陈豨，至当城破灭豨众，将陈豨刺死，悉平代郡，以及雁门、云中等地。
十一月，刘邦返回途中经鲁（山东），以太牢（猪、牛、羊三牲）祭祀孔子，并且下诏‘诸侯、公、卿、将、相至郡，先谒庙而后从政。’自此，不但开后世帝王祭孔之先河，亦开启后世帝王令地方长官上任前先谒孔庙的先河。
西汉高祖十二年（丙午，公元前195年），在平定英布叛乱时，刘邦身中流矢（毒箭），返回长安，旧疾复发，病情加重。吕后找来名医，刘邦询问病情，听其口气，知治不好，气得大骂：“我以一介平民百姓，提着三尺剑取得天下，此非天命乎？命乃在天，虽扁鹊何益！”说毕，赏赐医生50金，将之打发走。时值，吕后曾问刘邦：“萧相国死后，由谁来接替？”刘邦说曹参。吕后又问曹参之后呢？刘邦说：“王陵可在曹参之后接任，但王陵智谋不足，可由陈平辅佐；陈平虽有智谋，但不能决断大事；周勃虽不擅言谈，为人忠厚，日后安定刘氏江山肯定是他，用他做太尉！”吕后又问以后怎么办，刘邦有气无力道：“以后的事你也不会知道了！”
同年四月二十五日，刘邦崩于长乐宫，享年62岁，葬于长陵（今陕西咸阳），谥曰‘高皇帝’，庙号‘太祖’，命叔孙通制定谒先帝陵园寝庙礼节。在其主持下，汉朝礼仪制度逐渐完善，成为后来朝代制礼的重要参本。
五月，其子刘盈继承皇位，是为汉惠帝。
