项羽率领四十万大军向西进军，心中的怒火还没有发泄，他当然不能无功而返。于是只在鸿门停留了极日，就率领着大军向西进军，那咸阳城的官吏和百姓都给屠杀了，并把已经向刘邦投降的秦王子婴给杀害了，为了发泄心中的怨恨为项梁报仇，项羽还下令将秦王朝的宫殿群给烧了。这里面包括赫赫有名的渭水南岸的阿房宫宫殿群、北接咸阳宫殿群的北阪区宫殿群以及渭水北岸以成阳为中心的宫殿群。这些宫殿群规模都十分庞大，据说着火之后“火三月不灭”。同时，项羽还掠夺了大量的财宝和美女，才率兵撤走。
当时有人劝说项王：“关中有山河险阻，四面都是要塞，土地肥沃，可以定都于此，建立霸业。”项王见秦宫室都已被大火烧得残破不全，一片瓦砾，又心中怀念着东归，说道：“富贵不回故乡，犹如衣锦绣而行走于夜间，有谁能看到！”建议项王定都关中的说客闻听此言，感慨地说道：“人们常说楚国人是猴子戴人帽，办不成人事，果真如此。”这句话传至项王耳中，那个说客惨遭被烹死的命运。
项王派人向楚怀王请示，怀王回答说：“按原来的约定办。”这显然是使沛公称王关中。对于楚怀王的指示项羽大怒道：“怀王这个人，不过是我们项家所立而已，没有讨伐暴秦的战功，凭什么得以主管约规！那是天下刚刚发难的时候，借着立诸侯的后代为旗号来讨伐秦朝。然而，身披坚甲而手执利兵发难、暴露于野外3年、最终灭秦而平定天下的，都是各位将相与我项籍的力量啊！怀王虽无战功，当然也应当分地称王。”
项羽这番话的意思，是想要自己首先称王，然后由他来分封诸将为王。诸将明白项羽的意图，都一致称赞他讲得好。
汉王刘邦元年（公元前206年）正月，项羽尊奉楚怀王为义帝，说道：“古时的帝王，地方千里，必须居于江河的上游。”于是以此为理由，将义帝由彭城迁徙到长江以南，都于郴（今湖南郴县）。
同年2月，项羽分封天下诸侯。首先，项羽自立为西楚霸王，称王于原魏、楚故地的9个郡，都于彭城（今江苏徐州市）。
项羽立沛公为汉王，称王于巴、蜀、汉中郡，都于南郑（今陕西汉中市西南郑县）。
项羽三分关中土地，以3名秦军降将为王，来抵拒堵塞汉王北上的通道：
雍王章邯。项羽立章邯为雍王，称王于咸阳以西，都于废丘（今陕西兴平县东南）；
塞王司马欣。长史司马欣原为秦栎阳县狱吏，曾有恩德于项梁，所以立司马欣为塞王，称王于咸阳以东，抵达黄河，都于栎阳（今陕西临潼北）；
翟王董翳。都尉董翳劝章邯投降有功，所以立董翳为翟王，称王于上郡，都于高奴（今陕西延安市东北）。
西魏王魏豹。项羽为自己取得魏国的故地，封魏王魏豹为西魏王，称王于河东郡，都于平阳（今山西临汾市西南）。
河南王申阳。项羽立申阳为河南王。申阳是瑕丘（今山东兖州东北）人，原是张耳的近臣。他首先从秦军手中攻下河南郡，在黄河边迎接楚军，所以被立为河南王，称王于河南（原秦朝三川郡），都于洛阳（今河南洛阳市东北）。
韩王韩成。韩王韩成仍称王于韩国故地，都于故都阳翟（今河南禹县）。
殷王司马顤。赵将司马顤平定河内，数次立有战功，所以立司马颓为殷王，称王于河内郡，都于朝歌（今河南淇县东北）。
代王赵歇。项羽改封赵王赵歇为代王，称王于代郡，都于代（今蔚县）。
常山王张耳。张耳是赵王歇的丞相，向来有贤能的名声，又随从项羽入关，所以项羽立他为常山王，称王于赵国故地，都于襄国（今河北邢台市西南）。
九江王黥布。当阳君黥布身为楚将，勇冠全军，战功卓著，所以项羽立他为九江王，称王于九江郡，都于六（今安徽六县北）。
衡山王吴芮。番君吴芮曾率领百越族的部队佐助诸侯伐秦，又随从项羽入关，所以项羽立他为衡山王，称王于湖南省及湖北省东部和安徽省西部，都于邾（今湖北黄冈县西北）。
临江王共敖。共敖是义帝的柱国，因率兵攻打秦南郡，立功颇多，所以项羽立他为临江王，称王于南郡，都于江陵（今湖北江陵县）。
辽东王韩广。韩广原为燕王，项羽徙封他为辽东王，称王于辽东郡，都于无终。
燕王臧茶。臧荼原为燕将，随从楚军救赵，又随从项羽入关，被立为燕王，称王于燕国故地，都于蓟（今天津市蓟县）。
胶东王田襳。原齐王田襳被项羽徙为胶东王，都于即墨（今山东平度县东南）。
齐王田都。齐将田都随从楚军救赵，并随从项羽入关，所以项羽立他为齐王，都于临淄（今山东淄博市东北）。
济北王田安。当初项羽渡河救赵时，田安攻下济北数城，率部队投降项羽，所以项羽立他为济北王，都于博阳（今山东荏平县西北的博平镇）。
其他将领如田荣，因多次背弃项羽，又不肯率兵随从项羽击秦，所以未得受封。成安君陈余因受张耳责备，一怒之下，将将印交给张耳，领数百人走往河上泽中鱼猎，又不肯随从项羽入关，然而向来有贤能之名，有功于赵国，闻知他在南皮（今河北南皮县东北），所以把南皮附近3个县封给他。番君吴芮的将领梅讈，因功多封十万户侯。
同年四月，项羽于分封诸侯后，下令从关中撤军，受封诸王各自率兵前往自己的封国就任。
项王因张良随从汉王刘邦，韩王韩成又无军功，所以项王没有派遣他到封国就任，而是令他与自己一同回到彭城，废除韩王封号，以为穰侯。不久，又将韩成杀死。
田荣闻知项羽将齐王田襳徙为胶东王，以田都为齐王，自己没有受到封赏，因而大怒。同年五月，田荣不让齐王赴胶东，在齐地造反，发兵抵拒并攻打田都，田都逃亡至楚。齐王田襳畏惧项羽，私下偷偷地到胶东就国，田荣大怒。同年六月，田荣追杀田襳于即墨，自立为齐王。当时，彭越在巨野泽，有部众万余人，无所归属。田荣授予彭越将军大印，使令他出击济北王。同年七月，彭越击杀济北王田安。于是，田荣重新兼有项羽所分割的“三齐”（中为齐，东为胶东，西北为济北）之地，又派彭越击楚。项王命萧公角率兵攻彭越，彭越大败楚军。
张耳受封为常山王，并到襄国就国，陈余越发大怒，说道：
“张耳与我陈余功劳相等，今张耳受封为王，惟独我陈余为侯，这是项羽主事不公平。”
与此同时，陈余派张同、夏说向齐王田荣游说道：
“项羽主宰天下，太不公平。如今把原有的诸王都封在坏地方，把他的群臣诸将都封在好地方，把原来的赵王赶走，令他北居代地，我陈余以为不可这样。闻知大王已经起兵，并且不听从项羽的不合于道义的命令，请大王资助我一些兵力，请以此攻击常山王，恢复赵王原有的领地，请以赵国作为齐国的屏障。”
陈余的请求很快就被齐王田荣准许了，于是率兵前往赵国。陈余还把他受封所得的三县的全部官兵都调了过来，和齐军一起进攻常山壬，很快将常山王的军队击败了，张耳率领残余部队向汉王处逃去。陈余从代地迎回了赵王赵歇，返归赵国故地。赵歇把陈余立为代王。