秦二世三年（公元前207年）初，楚王心迁都彭城（今江苏省境内），统一指挥各路起义军队。赵被围攻后，赵王歇多次求援。楚王心下令兵分两路：宋义、项羽二人率军北上，增援赵军；刘邦率军西进关中，牵制住咸阳城的秦军，防止秦朝增兵攻赵，并策应北路援军。为激励两路军马奋力作战，楚王心向各路将领许诺，先入关中者将被封为关中王。
正所谓“百足之虫，死而不僵”，秦国虽然眼看就要灭亡，但秦国的军队实力仍不可小觑。尽管楚王许下承诺，但诸将并没有把握攻破咸阳城，也不愿意前去冒险。唯有项羽急于为叔叔项梁报仇，请求与刘邦一起挺进关中。众将领都认为他嗜杀，不利于安抚民心，遂不同意他率军西进。就这样，刘邦有了先入关中的机会。
接着，刘邦率部出发。途中，刘邦攻破荥阳（今河南省境内），夺取宛城，解除了进军关中的后顾之忧。与此同时，项羽也在扩大战果。为了能够早日攻入关中，他杀掉了上将军宋义，夺走兵权。随后，项羽击败了秦将王离，招降了秦将章邯，各地的诸侯纷纷依附了他。秦二世胡亥自杀后，项羽为了不让刘邦先入关中，假意派人与刘邦约定一起瓜分关中。刘邦并不理睬，一面攻打秦军，一面安定民心，一步步向关中的秦朝国都咸阳城逼近。
汉元年（公元前206年）十月（按照秦历，十月为一岁之始），刘邦率领军队抵达咸阳城东的霸上（今西安东南），然后派人入咸阳城招降。刚即位的秦王子婴见大势已去，不再作任何抵抗。秦王子婴的投降，标志着秦王朝的灭亡。
刘邦进入咸阳城后，被金碧辉煌的秦宫、无数的奇珍异宝、娇美的后宫佳丽迷住了眼睛，打算在宫中享乐一番。樊哙和张良劝他汲取秦朝灭亡的教训，不要因贪图享乐而忘了大计。刘邦醒悟后，将秦宫和府库全部封闭，下令将士不许动百姓一草一木，然后返回灞上。
十一月，刘邦将咸阳内外的关中父老召集在一起，在向他们保证废除秦朝苛政的同时与他们约法三章：“杀人者死，伤人及盗抵罪。”关中父老振臂欢呼，拥护刘邦做关中王。接着，刘邦派重兵把守住函谷关。
项羽听说刘邦已入咸阳城，于是一路猛攻，率领四十万大军攻破函谷关，驻扎在距霸上40里地的鸿门（今陕西省临潼区）。
当时，刘邦帐内的左司马曹无伤，因与刘邦有隙，于是派人在项羽面前说：“刘邦准备在关中称王，由秦王子婴出任国相，要独吞秦国全部的奇珍异宝。”项羽听完勃然大怒，立刻对军中下令：“明天一早让士兵们大吃一顿，为我打败刘邦。”
谋士范增劝告项羽：“以前刘邦在山东的时候，贪财好色。但是入了关后，一反常态，没有抢夺财物，也没有强占美女，足以表明他的志向不低。我曾派人前去观察过他那边的星象，总是呈现龙虎之象，色彩斑斓，是象征天子的瑞气呀。因此，您必须马上对他进行攻打，一定不可错过良机。”
项军左尹项伯为项羽族叔，平日和刘邦的谋士张良一直保持着友好的关系。项伯担心张良会被牵连进来，连夜赶赴刘邦的军队，私下见到张良，告诉张良有关项羽马上就要进攻刘邦的消息，并请张良和他一起离开。张良回绝道：“我奉韩王之命送沛公入关，现在沛公有难，我却自己逃走，成了不仁不义之辈。我必须马上告诉沛公这个消息。”
张良来到刘邦的军帐之中，将项伯说的话告诉了他。刘邦听罢大为吃惊，忙问张良有何对策。张良问道：“您觉得兵力敌得过项羽的兵力吗？”刘邦沉默不语，过了会儿回道：“敌不过。现在该怎么办才好呢？”张良说道：“由我去对项伯说，沛公您没有背叛项王的意思。”刘邦问道：“您和项伯有什么交情吗？”张良回道：“项伯曾和我交游。他杀了人，我救了他一命。现在我身陷险境，他特来知会于我。”刘邦又问道：“你和他谁年长？”张良回道：“项伯年长于我。”刘邦说：“烦请您将项伯请来，我必须用接待兄长的礼节拜见他。”于是，张良就去将项伯请到了刘邦的军帐之中。刘邦举杯为项伯贺寿，和他互订了儿女婚约，并对他说道：“我入关后，不敢贪恋秦国的财物，并派人严封了府库、清点了吏民，等待项将军的到来。我派兵把守函谷关，只是为了防备盗贼和意外事故。我一直盼望着项将军早日到来，又怎么会生出反叛之心呢？希望您在项将军面前具体阐明我的原意。”项伯答应下来，对刘邦叮嘱说：“您明天一早一定要前往项将军的营中认个错儿。”刘邦一口答应了。
项伯连夜离开，回到了项军阵营，将刘邦的原话全都告诉了项羽，然后对项羽说道：“沛公假如没有先破关中，您又怎能这么顺利地进入此地呢？如今他立了大功，您却反过来准备攻打他，这不就成了不仁不义吗？我看您不如趁机善待于他。”项羽听叔父说完，答应了下来。
第二天早上，刘邦带着随从拜见项羽。二人会面之后，刘邦向项羽赔罪：“我和将军一起攻打秦军，将军作战在黄河以北，我作战在黄河以南。没承想我竟能先攻破关内，今天得以在这里和将军重逢。指定是有小人在你我之间挑拨，让将军对我产生了隔阂。”项羽笑着回道：“还不是你那军中的左司马曹无伤，是他作的梗。否则我怎会有这样的疑心？”当日，项羽挽留刘邦饮酒。
当时，项羽和项伯坐在西面，范增坐在北面，刘邦坐在南面，张良坐在东面陪同。席上，范增对项羽使了好几次眼色，将自己佩戴的玉珏先后举起了三次，暗示项羽除掉刘邦，但是项羽却没有回应。范增无奈，只得起身出去找到项庄，对他说道：“君王心慈，不忍杀掉刘邦。你进去上前敬酒，敬完以后请求舞剑助兴，然后趁着舞剑的机会杀死刘邦。不然的话，以后咱们都会成为他的俘虏。”项庄依言照办，提到舞剑助兴时，项羽非常高兴地同意了。于是，项庄拔剑起舞，舞剑的时候每一剑都正对着刘邦。在这紧急关头，项伯看出项庄的意图，也起身拔剑而舞，每一剑都在掩护刘邦，让项庄没有下手的机会。
张良见势不妙，来到了军门外找到将军樊哙，对他说道：“里面情势危急，项庄舞剑助兴，意在刺杀主公。”樊哙听完激昂地说道：“这样危急的情况，就让我前去和主公同生死。”
樊哙带着宝剑、拿着盾牌闯进军门，守门士兵想要阻止，却被他勇猛地用盾牌撞倒。樊哙进入帐中，两只眼睛直直地怒瞪项羽，怒发冲冠。项羽手按宝剑，坐直后问道：“来者何人？”张良连忙回道：“这是沛公的车夫，叫樊哙。”项羽听完大赞一声道：“真是一位壮士，赐他一杯酒。”樊哙拜谢之后，起身接过酒杯一饮而尽。项羽又赏了一只生猪肘，樊哙放下盾牌，把猪肘放在上面，拔出身上的匕首切肉吃。项羽问道：“壮士，还能再喝吗？”樊哙回道：“我死都不怕，何况一杯酒，有什么可推辞的！当初秦王有虎狼一样的心肠，杀人唯恐没有杀尽，施刑唯恐用的刑罚不重，因此全天下都背叛他。怀王曾和诸侯们约定，最先攻入咸阳者可受封关中王。如今沛公先攻进了咸阳，碰都不碰秦朝的财富，还封藏了府库和宫室，带着军队退出咸阳驻扎霸上，恭候项王到来。沛公之所以派军把守函谷关，是为了防备盗贼和意外事件。沛公如此劳苦功高，是应该得到封侯赏赐的，但是项王您却听信奸人谗言，想要诛杀有功的人。这样做就是在继续走亡秦的老路。我相信项王您不会做这样的事情。”项羽听完没有回答，只是对樊哙说道：“请坐。”于是，樊哙挨着张良坐了下来。随后，刘邦借口说要上厕所，与张良、樊哙一同出去。
过了一会儿，见刘邦出去未归，项羽派人前去看看。刘邦出了营帐后说：“如今我出来了，还没有告辞，怎么办？”樊哙回道：“做大事不要顾及小节，讲大礼不必考虑小责难。如今人家是刀俎，我们是鱼肉，告辞做什么！”于是刘邦决定马上离开，把张良留下善后。鸿门和霸上相距甚远，为求尽快脱险，刘邦丢下车子，骑马快行，樊哙、靳强、夏侯婴和纪信手拿剑盾，徒步跟着护卫。他们下了骊山，过了芷阳，抄小道前进。离去以前，刘邦对张良说：“抄小路回到军中仅有二十里。你估算着我到达之后，再回军帐向他们致谢告辞。”
张良算着刘邦等人差不多回到军中以后，入帐辞谢：“沛公不胜酒力，因而不能当面告辞。特意让我奉上白璧一对于项王，奉上玉斗一双于大将军范增。”项羽问：“沛公哪去了？”张良回道：“沛公听闻项王有意责备他，就独自回去了，现在已到营中了。”项羽听罢，接受了玉璧。范增则把玉斗扔在地上，拔出剑来击碎，气愤又无奈地说道：“唉，你们这些无知小子，根本不能和你们一起成就大事！以后夺项王天下的一定会是刘邦，咱们这些人即将成为他的俘虏。”
鸿门宴后，项羽带着各路军马，浩浩荡荡地进入了咸阳城。咸阳城顿时遭到了一场空前浩劫，城内百姓惨遭屠杀，财物被洗劫一空，阿房宫也被焚烧殆尽，一时间尸体纵横，映入眼帘的全是断壁残垣，惨不忍睹。接着，项羽将楚王心尊为“义帝”。随后，他自称“西楚霸王”，然后分封诸侯王。刘邦被封为汉王，管辖巴、蜀和汉中。其领地共有四十一县，国都为南郑（今陕西南郑）。不久，刘邦带着项羽分派给他的三万兵士前往封地。途中，他命令将士切断关中通往汉中的栈道，表明不出汉中的决心，以此来麻痹项羽。
刘邦在做汉王期间，多有士卒因思乡心切而逃离军营，再加上水土不服，军心更加涣散。刘邦虽然也不愿意在汉中长久待下去，但时不利己。当时，韩信几经辗转，投奔在刘邦旗下。见不受重用，于是逃走。接着，便有了萧何月下追韩信的故事。
萧何听说韩信逃跑后，没有来得及向汉王禀报，便策马亲自去追韩信了。这时，有人向汉王报告：“丞相萧何逃跑了。”汉王一听，顿时大怒，却又不知如何是好。
一天后，萧何前来拜见汉王。汉王见了萧何后，又怒又喜。怒的是萧何作为丞相，竟然逃跑；喜的是萧何又回来了，不用再担心没有左右手了。随后，汉王问萧何为何逃跑。萧何答道：“臣不敢逃跑，臣在追逃跑的人。”汉王问：“你在追谁呢？”萧何说是韩信。汉王生气地骂道：“营中逃跑的将领就有十几人，你却不去追。韩信不过是一个小小的治粟都尉，你却要去追他。你一定在欺骗我。”萧何解释道：“将领失去了以后容易得到，但像韩信这样的人，很难在国内找到第二个。大王如果只想在汉中称王，可以不用此人；但大王如果想争夺天下，除了韩信之外没有人能够辅佐大王。希望大王能够仔细考虑。”汉王说：“我当然想图谋东方了，不想在此长期停留！”萧何于是说道：“既然大王有这种念头，就一定要重用韩信。只有这样，韩信才会留下来；否则，韩信最终还会逃跑的。”汉王说：“那我就封他为将吧。”萧何说：“封他为将是留不住他的。”汉王改口说：“那就封他为大将吧。”萧何说：“太好了！”随后，汉王准备召见韩信。这时候，萧何又说：“大王一向不注重礼节。如今要封大将，却像呼喊小儿一样，这正是韩信要逃走的原因。大王如果真心封他为大将，就要选择一个好日子，行斋戒之礼，设置坛场。待各种礼节都完成后，才可以行事。”汉王答应了萧何。
汉王封韩信为大将后，立即与其谈论天下大势。汉王说：“丞相多次在我面前提到将军的才能，不知将军能够教给寡人什么计策呢？”韩信辞谢汉王的知遇之恩后，问汉王：“如今，能够争夺天下的人，是项王吗？”汉王回答说是。韩信又问：“大王认为自己的勇悍、仁德与项王比起来如何？”汉王沉默了很久，然后回答说不如项王。随后，韩信为汉王具体分析了项羽的为人和当前的形势。他说项羽“虽然凶猛叱咤，能对抗千人，但是不能任用贤将”，这是匹夫之勇；又说项羽“恭敬慈爱，言语温和，人有疾病，会为其哭泣并分给饮食；到了用人的时候，因功可以封爵的人，大印都磨损了，也舍不得授予他”，这是妇人之仁。然后，韩信说项羽背信弃义，名不正言不顺，“虽然身为霸主，实际上失去了天下人心，因此这种强大容易变弱”；而汉王“任用天下武勇的人，有谁能抵抗！把天下城邑封给功臣，有谁不服从！义兵思念家乡，急于东归，有谁能阻挡”。他建议汉王入武关以后废除秦的严苛法令，与秦民约法三章，使秦民都想拥护汉王为大王。汉王听了韩信的这番议论后，心中大喜。
此后，韩信用他娴熟的军事知识屡次打下胜仗，为汉朝的建立立下了很大的功劳。可以说，没有韩信的战必胜、攻必克，屡吃败仗的刘邦就难以雄霸天下。
项羽自立后，立即征讨齐国造反的田荣，刘邦采用韩信明修栈道、暗度陈仓的计策顺利返回关中，打败秦朝降将雍王章邯，随后本想从沛县接回父亲刘太公和妻子吕雉，但被楚军阻止。接着，长达四年的楚汉之争为历史添上了新的一页。
汉王二年（公元前205年）初，刘邦降服了秦朝降将赛王司马欣、翟王董翳河南王申阳，安抚当地百姓。随后，刘邦便以咸阳为据点，号召各路诸侯讨伐项羽，向东猛进，直至占领彭城。
项羽本想一举平定齐、赵两地，见国都彭城失陷，急忙回兵自救。汉军将士正沉醉在胜利的喜悦中，还来不及准备就被项羽率领的三万精兵击败。各路诸侯见楚军锐不可当，各自抽身离去。
刘邦狼狈逃脱后，在灵璧（今安徽省东北部）濉水又被楚军追上，被杀得溃不成军。退至荥阳后，幸好有萧何、韩信前来增援，汉军重整旗鼓，将尾随而至的楚军击退。不过，项羽并没有率领楚军离去，意欲铲除刘邦。