汉王刘邦在萧何的辅佐下经略汉中，厉兵秣马，逐步强大起来，东征的内部条件已经具备，只待外部时机成熟。恰巧，齐将田荣因霸王没有封赏他，非常不满，公然起兵造反，项羽忙着前去征伐，历史又一次把机会送到了刘邦面前。
公元前206年，汉王刘邦派大将军韩信出兵东征。韩信于是制订了详细的东征计划，第一步是先夺取关中，打开东进的大门，建立兴汉灭楚的根据地。韩信首先命令樊哙、周勃带领1万人开始修筑栈道，而且要在3个月内完工，摆出要从原路杀回的架势。樊哙和周勃是两员猛将，又是汉王的嫡系，他们迅速行动。大家都知道栈道修不好，大军就出不去。烧毁的栈道有300多里，高低起伏，地势险要，有的地方盘旋弯曲，有的地方上悬峭壁，下临深渊。十几天过去了，1万多人费了好大劲，摔死几十人，摔伤的更多，才修好很短一段。限期太紧，粮食又不够用，士兵纷纷抱怨。樊哙看着心烦：“这么大的工程，就是10万壮丁，修它1年也未必能修完。这就给1万人，才3个月时间，就是打死我也修不完。”士兵一看主帅这样，就更加消极怠工了。还有人私下说：“早知道这样，当初烧它干吗？”上上下下怨气冲天，互相埋怨。
很快，汉王下达命令：“樊哙、周勃口出怨言，消极怠工，给予撤职处分，调回不用。”同时新派来三五个工头，又押来1000名民夫帮助修筑。新工头非常卖力，天天督促士兵和民夫，速度确实快了起来。
汉王派樊哙等修筑栈道，早已兴师动众，轰动整个汉中。关中守军闻讯，密切注视修复栈道的进展情况，并派主力部队在这条路线、各个关口要塞加紧防范，阻拦汉军进攻。韩信“明修栈道”的行动吸引了敌军的注意力，同时把敌军的主力都引诱到了栈道一线。
关中堵塞刘邦的第一道关口，是原秦国名将雍王章邯。章邯和刘邦接触不多，他一向看不起非正统的将领，因此一直未对刘邦做太多的防范。章邯深知秦国百姓非常痛恨他，那么多秦兵都丧命了，作为将领的他却还在，想起来就心生愧疚。为此，章邯对自己目前的现状非常憎恨，处事变得消极、颓废，早已失去了当年的名将风范。
此时，汉中传来情报：“刘邦拜韩信为大将，派人修筑栈道，有准备进攻关中的迹象。”章邯听到了这个消息，不禁笑道：“栈道是你们自己烧毁的！自己断绝了出路，现在又来修复，这么大的工程，只派那么少的士兵，何时才能完成。想出来吗？我慢慢等着。”因此，章邯对于刘邦和韩信的这一行动，根本没有引起足够重视。又听说刘邦拜曾受胯下之辱的韩信为大将，心里更加深了对刘邦及汉军的蔑视。
烧毁的栈道要重建，的确没有那么简单，可是韩信从未想过要由栈道进攻关中，《孙子兵法》诡道十四法云：“近而示之远，远而示之近……”韩信想的是出其不意、攻其不备的方法。于是，韩信在山中寻访猎户，他要寻找通往关中的小路。功夫不负有心人，果然被他打听到了，而且找到了猎户做向导。刘邦得知后，一掌击在案上：“太好了！能走就好！”刘邦大喜过望，毫不掩饰自己的兴奋。
刘邦马上找来萧何，和韩信三人一起商议，制订了详尽的计划：大队人马不走栈道，从故道（今陕西省西凤县西北）潜出，直扑陈仓。计划只秘密地告诉了夏侯婴、曹参、周勃、樊哙、卢绾等几个心腹，再三嘱咐他们保守机密，马上分头行动。留下萧何守住川地，征税收粮，接济军饷。樊哙等人这才知道让他们修复栈道的用意。韩信这个计策，当初张良建议烧毁栈道的时候就曾向刘邦说过，刘邦见他们两人先后所定的计策竟然完全一样，高兴地说：“英雄所见，毕竟略同！”
汉高帝元年（前206年）八月，汉军的主力在刘邦和韩信的带领下，离开南郑，樊哙前队开路，出褒中，跟随猎户，沿着古时的一条山路向西北挺进。四川山高林密，许多地方根本就没有路。猎户带领士兵，在前面用锋利的砍刀开出一条路，大队人马前进非常困难。进入林中，抬头不见天日；出了森林，崎岖狭窄的山路旁就是深不见底的悬崖。一不小心跌下去就会粉身碎骨。这是一条几乎无人走过的山路，汉军有在深山老林中迷路的，有跌下悬崖的，但是损伤不大。
在雍王京城废丘的西方，有个地方叫宝鸡，由于渭水流经这里，使宝鸡成了黄土高原中少见的丛林区。渭水由陇西流往宝鸡，自然形成一个通道。渭水下游便是咸阳，基于运输上的方便，秦皇室在此建了一个官仓，用以储藏粮食，称为“陈仓”。秦军为保护陈仓粮食的安全，便在这里建立一个小关卡。这个关卡腹地小，容不下太多守军，而且山路崎岖，军队也无法驻扎，只有情况紧急时才派大军前来救援，平时根本没有几个守军，这点对进攻的一方极为有利。而在秦岭山脉中，唯一能容下大军经过的，便是这条渭河形成的天然通道，这里地势隐蔽，暗渡时很难被发现。
韩信所选择的便是这条道路，陈仓关口小，易守难攻，所以必须采取突击战术。于是韩信命人公开修筑栈道，装作要从栈道出击的姿态，将关中守军注意力吸引到栈道上。实际上却和刘邦统率主力部队，神不知鬼不觉地渡过渭水河，以迅雷不及掩耳之势，直扑陈仓（今陕西省宝鸡市）。
陈仓遭到汉军的突然袭击，雍王章邯接到紧急报告，说刘邦的大军已攻入关中，陈仓被占，守将被杀。章邯起初还不相信，以为是谣言，等到证实的时候，方知中计，这才感到事态严重，章邯率军迅速赶来救援陈仓。然后派人向司马欣、董翳求援，塞、翟两王也做出了支援雍军的相应准备。
汉雍两军在陈仓附近展开交战，汉军樊哙率部猛冲，如出山猛虎般勇不可挡，杀得章邯节节败退。章邯军首战即告失利，于是兵分两路，分别向废丘和好畤方面撤退。
韩信判断，往废丘撤退的是雍王章邯所率领的雍军主力，退往好畤的为雍将章平指挥的部分人马。于是派曹参率军追击章平，于好畤城南发生战斗，章平战败，退守好畤城等待援军。废丘是雍国都城，章邯久经沙场，深懂兵法，苦心经营，不容易迅速攻破，若持续时间长了对军心士气不利。好畤是废丘侧翼，两地互为掎角之势，相互支援。章平虽然也是能征惯战之将，但兵力相对薄弱，如果能先攻克好畤，废丘就会变得孤立。于是汉军决定首先进攻好畤，同时派出一部分兵力，警戒侦查援军情况，汉军随即围攻好畤城。
三秦军司马欣派手下将军赵贲率大军火速救援废丘，董翳军也向泾水地区急驰。章邯得到援军后，沿渭水西进，与汉军在壤乡（今陕西武功东南）附近展开激战，三秦军大败，章邯只得率败军再次退守废丘。曹参留周勃军围攻好畤，自己率部迎击塞、翟军，击破三秦军后，马上转回继续围攻好畤。此时樊哙也率军挺进到好畤，与曹参、周勃会合。
不久，韩信赶来，统一指挥对好畤的围攻战。樊哙率部冲锋在前，汉军各部猛烈攻城。章平难以抵抗，被迫撤出好畤，向北地方面撤退，汉军随即占领好畤城。韩信让樊哙率部继续围攻废丘，命令曹参、周勃、灌婴去攻取咸阳，卡住章邯东逃的退路。雍军驻咸阳的赵贲和内史保等部迅速应战，曹参部英勇作战一举攻占咸阳，进驻到景陵。
支援废丘的塞王司马欣派主力反攻景陵，经过激战，被汉军击破。章平等率军向漆败退，曹参挥师追击。此时章平军得到章邯及翟王所派军队的支援，于漆地反击曹参军，曹参军力不能支，危急关头，周勃率援军赶到。周勃军北攻漆地，击破章平、姚印部，西定汧陇，还军攻克郿和频阳后，即率军参加对废丘城的围攻战。
与此同时，灌婴军大举进攻塞国首都栎阳。塞王司马欣主力援雍失败后，缺乏备战措施，无力应战，只得向汉军投降。其他汉军各部也是捷报频传，靳歙军击破陇西方面雍军，平定陇西所属各县。郦商军击破雍军别将周类据守的乌氏、栒邑、泥阳，进而平定北地郡所属各县，在攻克北地时，俘获了雍军大将章平。汉军继续向北深入，大军深入到上郡（郡治肤施县，今陕西榆林东南鱼河堡附近），翟王董翳无力抵抗，向汉军投降。
雍王章邯退守废丘，奋力作战，汉军久攻不下。此时汉军在关中取得了一系列胜利，形势逼迫汉王刘邦必须迅速向东推进，以夺取更大的胜利。但雍国首都又不能不留下强大的军队继续围攻，于是，刘邦迅速调整了军队部署：由韩信率部继续担任对废丘的围攻，刘邦自己统率部分兵力出关扩大胜利成果。不想，刘邦东进大军遇到重大挫折，几乎全军覆没，汉王刘邦只好回到新占领的塞国都城栎阳。
此时废丘城仍然在章邯手中，城门紧闭，吊桥高悬。刘邦急于迅速结束这里的战事，可是废丘城面临渭水，防守严密，易守难攻。章邯的雍军又相当顽强，不采取特殊措施很难攻克。韩信仔细察看萧何提供的地图，决定智取。于是采用引渭水灌城，乘水攻城的战术，命令樊哙到渭水下游截流，水不下泄，很快猛涨，如万马奔腾，涌进废丘城。章邯见势不妙，急忙率兵从北门突围。韩信再命令樊哙放水，汉军乘势打入废丘。章邯丢了城池，前无去路，后有追兵，只有拼死一战，结果惨败。他自知无法脱险，便在绝望中拔剑自刎，废丘残军随即投降。
雍王章邯自杀，塞王司马欣、翟王董翳兵败投降，至此，霸王项羽分封的关中三王全部瓦解，其用三秦之王拦截汉王刘邦的意图宣告失败。汉军攻占关中大部，基本实现了还定三秦的战略目标。
秦国父老对刘邦非常推崇，一见刘邦回来非常高兴，因此汉军虽然不多，却很快占领了庞大的关中平原。初露锋芒的韩信，出奇制胜夺取了三秦，打开了汉军东进的大门，为刘邦建立了一块兴汉灭楚的可靠根据地。萧何将其规划成三个郡，纳入汉军的管辖内。刘邦终于得偿夙愿，成为关中之王，此时离他被迫带军进入汉中，只有4个月的时间。
汉王刘邦还定三秦，不过是实现他东向争夺天下的第一个战略目标。三秦平定后，汉王抓紧时间安定关中，把关中作为他同项羽争夺天下的可靠后方，将关中建设成为击败项羽的巩固根据地。为此，汉王刘邦、丞相萧何做了大量的工作。
这时几经战事，关中地区已经残破不堪，秦朝繁华一时的都城被项羽放火烧了整整三个月，已成为一片瓦砾，于是刘邦只得把都城迁徙到栎阳（今陕西富平县东南）。
刘邦重新进入关中之后，萧何作为丞相采取一系列及时的政策和措施，协助刘邦收拾关中的残破局面。一方面是重新建立溃散的封建统治秩序；另一方面是大施恩惠，拉拢人心。属于前一方面的措施有申明法令，废除秦朝社稷，立汉社稷，修治宫室、县邑城池等。属于后一方面的措施有开放原来秦朝皇室的皇家苑囿园池，允许老百姓耕种，赐民爵，减免租税等发展农业生产的措施。同时又让老百姓自己推举年龄在50岁以上的，有德行，能作表率的人，任命为三老，佐助县令，教化民众。三老可免去本人的徭役，每年年终还赐予他们好酒好肉。这些措施对于恢复和发展关中地区的社会经济起到了巨大的推动作用，同时从上至下建立起的一整套封建统治机构，保证了刘邦集团在关中的稳固统治，为其以后出关奠定了政治、经济基础。
汉王刘邦还定三秦，兵出函谷关，慢慢扩张自己的势力，向中原挺进。先是占领山西，不久攻占河北，随后扩张到了河南，收服了魏王和河南王，韩王、殷王也相继投降。汉军势力范围不断扩大，粮草充足，士兵增多，实力大增，在百姓心中的地位也得到了巩固。刘邦给自己出师中原取了个漂亮的名字，叫“抚关外父老”，意思就是慰问关外民众。
当时在中原地区的列国共有3个，即河南国、韩国、殷国，此外还有河东的西魏。河南王申阳本来是张耳的嬖臣。张耳在巨鹿之战中和陈余之间产生了矛盾，后来张耳收取陈余兵权，二人反目成仇。陈余独自与军中最要好的数百人渔猎于河上泽中。霸王项羽因张耳同各路诸侯入关，又念其扶赵抗秦之功，乃分赵地北部，立张耳为常山王，并将信都改名为襄国（今邢台市），定为常山王的都城。霸王因为陈余没和他一起入关，又听说他在南皮，就只封南皮旁3个县给他。陈余大怒：“张耳与余功等也，今张耳王，余独侯，此项羽不平。”便联合齐王出兵袭击襄国。张耳这时兵微将少，不能抵抗，在无可奈何的情况下，逃出襄国，投奔到刘邦部下，汉王以优厚的待遇接纳了他。
河南王申阳原籍在山东兖州一带，在洛阳没有群众基础。此刻看汉军来势凶猛，张耳已经投靠了汉王，他也就很识时务地投降了汉王。刘邦取消了他的河南王封号，将河南国改制为直属汉国的河南郡。
陈余打败张耳以后，全部收复了赵国的土地，把赵王从代县接回来，继续做赵国的国君，赵王对陈余感恩戴德，分封他为代王。陈余因为赵王软弱，国内局势刚刚稳定，就留下来辅佐赵王，而派夏说以国相的身份驻守代国。汉高帝二年（前205年），汉王向东进攻楚国，派使者通知赵国，要和赵国共同伐楚。陈余说：“只要汉王杀掉张耳，赵国就从命。”于是汉王找到一个和张耳长得相像的人斩首，派人拿着人头送给陈余，陈余才发兵助汉。汉王在彭城以西打了败仗，陈余又觉察到张耳没死，就背叛了汉王。
对付韩国，刘邦采取了另一种方式。原来霸王不让韩王成去封地，就把他带到彭城，之后又以他没有功绩为借口，降为侯。韩王成不识时务，大发牢骚。霸王嫌他不识好歹，就把韩王成杀死。在霸王看来，杀一个韩王成没有什么了不起，可是韩相张良却视韩王成为生命，事发后哭得死去活来，发誓为他报仇，于是逃到汉王那里，从此全力辅佐汉王。项羽杀了韩王成，另派郑昌来做韩王。郑昌原来是秦始皇朝廷的吴县县令，项梁杀了人之后，避难吴中，全靠他一手遮天进行庇护，项羽为了报答他，就让他顶替了韩王成的位置。
汉王刘邦手下有一个人也叫韩信，是战国时期韩襄王的后代，在韩人眼里是正统的王室后代，具有一定的号召力，此人文武双全。汉王于是拜韩庶子信（以示和大将韩信相区别）为太尉（官名，专管军事，地位相当于丞相），派郦商等几个将军帮他收复韩地。汉王许诺：“只要你打下韩国，就封你为韩王。”韩庶子信和几个大将不负众望，打败霸王所封的韩王郑昌。刘邦于是正式封韩庶子信为韩王，没让他留在城阳做安乐王，而是让他带着军队，跟随自己继续出征。原韩王郑昌投降汉王之后，反倒做了韩王信的手下。
接下来，刘邦又想打魏国的主意，于是和大将军韩信商议：“我军要渡过黄河抚慰魏国，你看如何？”韩信说：“此时黄河水涨，我们找大渡船过河就是。”“魏王豹不会阻挡吗？”刘邦担心地问。“魏王豹不服霸王，只是摄于霸王的淫威，如今我们过河，他肯定不会干涉，一定会顺水推舟。”韩信自信地说。汉王刘邦于是命人寻找船只，军士们只用了3天时间就聚集大小渡船300余只。韩信分析得一点儿没错，汉军渡河十分顺利，魏王豹的军队远远地看着汉军大举渡过黄河，并不出来干涉，汉军从始至终没有受到任何阻拦。刘邦马上写了一封书信劝降魏王豹，魏王豹开始假意推辞，不久便半推半就地同意了。魏王不战而降，刘邦很高兴，下令其爵禄封土不变，随后命令他带着军队随自己出征，一起去抚慰建都朝歌的殷国。后来，魏王豹之薄姬被刘邦册封为姬，这位薄姬为刘邦生下一子，就是汉文帝刘恒。
殷王司马昂居守河内，听说韩信带兵入境，仓促间发兵迎敌，损兵折将，败回朝歌。朝歌原来是商纣王的都城，一向城墙坚固，汉将樊哙等一直逼到城下，司马昂一面派人飞马报告项王，乞求援兵，一面负隅顽抗。
霸王一听河内吃紧，韩信的兵马围住了朝歌，就派项庄和季布前去救援。司马昂得到回信，精神为之一振，忽然发现汉兵逐渐撤围，一天一夜竟然全部撤去。他想汉兵无故退去，肯定是听说霸王亲自到来感到害怕，于是就毫不犹豫地开城追赶。司马昂贪功心切，一直追了五六十里，天色将晚，才吩咐收兵，却不料中了埋伏，两员汉将周勃和灌婴从林中杀出，带领精兵直扑司马昂。司马昂不敢恋战，便往后退，手下人弃甲抛戈，随主将一起逃跑。司马昂策马逃窜，好不容易跑回朝歌城下，却被吊桥上汉军先锋樊哙拦住去路。司马昂后有追兵，前有猛将，只好硬着头皮回身交战，结果被樊哙生擒活捉。
韩信用兵神出鬼没，他料定司马昂败回城中，一定向项王求援，倘若援兵到来里应外合，情况就会很危险。所以就用诱敌深入的计谋，假装撤出包围，让樊哙后退埋伏在城墙附近，让周勃、灌婴埋伏在树林中，专门引诱司马昂来追，届时前后截杀，定能大获全胜。果然司马昂贪功中计，被樊哙活捉，投降了汉王。于是汉王带领将士，和司马昂一起进城，城中军民一见殷王司马昂归顺汉王，自然全体投诚。汉王废掉殷王司马昂的王号，置其地为河内郡。
汉王又派遣郦商等去攻打上郡北地，获得了胜利。再派大将韩信带兵前往南阳，和王陵一起，东入丰沛，迎接汉王家眷入关。王陵是沛县的豪杰，刘邦一直以兄长之礼待他。后来陈胜、吴广起义，天下豪杰并起，王陵也纠集数千人，长期独立活动于南阳一带。刘邦起兵西进路过南阳时，派人去招降，王陵不甘心居汉王之下，就找借口推辞。这次汉王又来邀请王陵，王陵听说汉王已经占领了三秦，声威远著，这才打定主意归汉。恰好他老母也在沛县，正好乘此机会接来，于是合兵一起东行。到了阳夏，被楚兵拦住不能前进，只好暂时停驻，派人报告汉王。
项羽把王陵的母亲抓到军中，王陵得知后派使者前来，项羽便让她向东而坐，想来招降王陵。王陵母亲暗中送使者，哭道：“希望替老妇告诉王陵，好好侍奉汉王，汉王是仁厚长者，不要因为老妇而有二心。我用死来为您送行。”便伏剑而死。项王大怒，烹杀了王陵的母亲。王陵深恨项羽，一直跟随汉王平定天下。
汉王刘邦抚关外父老，先后迫降了河南王申阳、西魏王魏豹、殷王司马昂，加上张耳和王陵的归附，再也不是当年受困于汉中的汉王，而是占据了汉中和关中全部地盘的实力强大的汉王；手里的军队也已不再是当初项羽只允许他带进汉中的3万，而是大军数十万。至此，刘邦在稳固后方政权，建立坚实的后方根据地的同时，势力迅速扩大到今河南的西部、西南部、西北部和山西的大部，拆除了项羽西面的全部屏障，铺平了直接进攻项羽的道路。
当汉王收复三秦、韩地和河南，抚关外父老，劝降魏王豹，转而围攻殷国都城朝歌的时候。霸王就派项庄和季布去救朝歌，没想到救兵还没到，殷王已经被汉军逮去投降了。项庄、季布回来报告说：“我们还没到河内呢，殷王已经投降了，我们只好回来。”霸王大怒：“你们连敌人的面都没见到就回来了，还当什么将军！”都尉陈平说：“韩信用兵像孙武、吴起一样神出鬼没，大王光派两位将军去不妥当。我看还是请亚父跟他们两个一起去，我也去，我们再发动大队人马，一定能把河内夺回来。”霸王瞪了陈平一眼：“派你去就成了吗？殷王不是你劝说投降的吗？怎么反了呢？”陈平受了一顿谴责，闷闷不乐地退了出去。
原来，殷王司马昂曾经背叛过霸王，霸王叫陈平去征伐。陈平跟殷王说明利害，劝他向霸王谢罪。殷王听信陈平之言，归顺了霸王。霸王因此拜陈平为都尉，还赏了他20斤黄金。现在司马昂投降汉王，陈平心里很不自在，一见霸王发怒，更加忐忑。天黑之后，陈平只身带把宝剑，从小路跑到黄河边上，准备渡河投奔汉王。上了渡船之后，船老大看他华冠美服，以为他身上藏着金银财宝，就想暗害他。陈平非常聪明，马上脱光衣服，假装帮助划船，一场凶险，竟被他轻而易举地化解了。通过汉王刘邦身边的魏无知进行介绍，陈平面见刘邦。两人纵论天下大事，十分投机。刘邦破例任陈平为都尉，留在身边做参乘（陪他出行，为他驾驭马车的官员），并命他监护三军将校。这一下引起了将领的不满，纷纷说他品行不端，贪图贿赂，也就是人们常说的“昧金”“盗嫂”，认为这种人不能信任重用。
周勃和灌婴也对汉王说：“陈平外表漂亮，可是品行不端，贪污受贿，不配得到您的信任。”汉王就找来魏无知进行责问。魏无知说：“我推荐的是陈平的才能，您责问的是他的品行。现在楚汉相争，要想胜过敌人，就要有人能出奇谋。品行端正的君子、孝子对我们又有什么用呢？大王只看陈平的计策如何就是。”
刘邦经不住众人再三诋毁陈平，便也心生疑团，召陈平来质问道：“听说你原来是帮助魏王的，后来离开魏王去帮助楚霸王，现在又来帮助我，这怎么不让别人怀疑你的信义呢？”陈平不紧不慢地回答道：“同样一件有用的东西，在不同的人手里作用就不同了。我侍奉魏王，魏王不能用我，我离开他去帮助楚霸王，霸王也不信任我，所以我才来归附大王。我虽然还是我，但用我的人可不一样了。我久慕大王善于用人，所以才不远千里来投奔大王。我什么也没带，来到这儿，所以什么都没有，才接受了人家的礼物。没有钱，我就生活不了，也就办不了事。如果大王听信谗言，不起用我，那么，我收下的那些礼物还没有动用，我可以全部交出来，请大王给我一条生路，让我辞职回家，老死故乡。”寥寥数语，道明了各方的政治优劣，话中有话。
刘邦的疑虑顿消，对陈平倍增好感，并重重地赏赐一番，提升他为护军中尉，专门监督诸将。从此，陈平一心一意为刘邦“六出奇计”夺取天下，成为西汉安邦定国的著名谋臣。
公元前205年4月，汉王刘邦趁霸王项羽在齐地征战后方空虚之机，由洛阳统帅常山王张耳、河南王申阳、韩王信、魏王豹、殷王司马昂5路诸侯大军，共计56万人倾巢而出，大举东进，一路之上所向披靡，兵锋直指项羽的都城彭城（今江苏徐州）。
出发前，有一乡老董公劝汉王说：“顺德者昌，逆德者亡。兵出无名，事必不成，项羽无道，弑杀义帝，实在是天下之敌。大王可为义帝发丧，传檄遍告天下诸侯共伐项羽，那么四海之内莫不敬重大王威德。如今大王师出无名，只不过是为了争夺土地，即使一战打胜了，天下人也不会信服。”刘邦很高兴，于是立即准备祭坛，命汉军全体将士穿上孝服，为义帝举办了声势浩大的发丧仪式。同时布告天下，以替义帝报仇的名义来讨伐项羽。
刘邦令人将檄文四处传送，陈余等人立即响应，各路诸侯闻风而到。彭越听说后，也带着3万人马前来帮助汉王。这样一来，刘邦手下重要的将领和谋士几乎全部到达。汉王刘邦为义帝发丧的义举，很快得到人们的首肯并迅速传播开来，人人都唾骂项羽的不义，赞颂刘邦的大德。义帝本来是项羽手中的大牌，但是项羽弃之不用，刘邦转而用之，从而使他的出兵变得名正言顺起来。
汉王刘邦随即下令派韩信去守卫咸阳，拜魏王豹为大将，带领大军攻打霸王的都城彭城。此时霸王项羽的精锐部队都驻扎在城阳，彭城兵马不多，只有大将虞子期守卫在那里。刘邦56万大军浩浩荡荡，数月就尽占楚地。项羽寄以厚望的九江王英布距彭城较近，可是他守着自己的地盘坐山观虎斗，采取袖手旁观的立场，没敢前来救援，彭城很快被汉王刘邦所占领。
联军兴高采烈地进入彭城，刘邦以其人之道还治其人之身，采取了项羽惯用的夺物淫女的政策，对士兵不加管束。士兵们兴高采烈地抢夺珍宝，就像项羽当年进入咸阳秦宫那样，肆意掠夺、终日狂欢，将霸王后宫美女供自己享乐。刘邦还下令没收项羽私有的金银、珠宝、美女，自己每天在项羽的宫殿里通宵达旦地开怀畅饮。掠劫彭城使刘邦的“义名”遭到严重损害，楚国军民的悲惨遭遇使原先支持刘邦的楚国长老，转而走向和汉军完全对立的立场。
项羽再也想不到自己的一贯政策，又被别人用到自己身上，他绝对不能允许彭城落到别人尤其是刘邦手里。彭城失陷时，范增及时撤出守备部队以保存实力，一方面派急使向项羽求援，一方面严密监督汉军动向，并把汉军进城后陷入混乱的局面及时通知项羽。此时，项羽陷入前所未有的危机之中：
一、面临两线作战。齐国尚未平定，回师救楚则腹背受敌。
二、兵力的极大悬殊。刘邦诸侯联军56万人，规模空前宏大。项羽此时全部兵力不详，但是必然远少于56万。
三、后方沦陷，孤军深入。此时项羽楚地尽失，没有根据地的孤军只能速战速决。
四、远离战场，长途奔波。敌人则以逸待劳，利用防御工事抵抗回师楚军。
五、盟友背叛，政治大环境陷入极度孤立的状况。
面对如此险恶的政治、军事环境，项羽一个大胆的战略计划出笼：以诸将率领大军继续平定齐国，作为迷惑刘邦的手段。而自己亲自带领3万精兵绕道彭城后方，以彭城为钓饵引刘邦上钩，然后偷袭刘邦后方，尽灭刘邦联军。项羽的作战计划出来，所有人都愣住了！他不但要以3万尽歼对方56万，还要长途奔波，设局偷袭！这可以说是前无古人，后无来者的一个疯狂计划！
霸王项羽的计划一旦出笼，马上就会迅速实施，他把大部队留在齐国迷惑刘邦，自己运用骑兵的机动性，由齐国星夜兼程，绕道彭城西南的萧县。等待刘邦诸军忙着部署北边防御，主帅松懈的最佳时机，开始向东进攻彭城，一场恶战摆在汉军面前。
项羽选择的是早晨发动偷袭，此时敌人尚在睡梦之中，正处于最疲惫的时候，突然遭遇大规模偷袭，联军大营顿时乱作一团。戒备不足的联军无法抵挡霸王的精锐之师，死伤无数，溃不成军。萧县失守，失去门户的彭城马上处于楚军的刀剑之下。选择早晨偷袭可以看出项羽对时机把握的老练，自己可以利用天亮洞察敌方情况，选择合适有效的战术最大消灭敌人。很多偷袭喜欢放在夜里，这样有利于掩藏行踪。但是项羽此次不光要造成敌方混乱，更要全歼敌军。
项羽在战术的选择上直接攻击刘邦指挥中枢，造成刘邦联军指挥系统瘫痪，这样联军就无法组织有效的反抗，然后项羽死死咬住刘邦的主力进行攻击，不给刘邦以喘息之机。刘邦睡梦中得到报告，一下子就把隔夜酒吓醒，心慌意乱地召集将领商讨对策：“这可能吗？楚军用兵之快何以至此？”此时萧县已经失守，楚军兵临城下，由不得刘邦不信，仓促间他只好带兵出城迎敌。
晨风中，汉王放眼向敌阵望去，旌旗猎猎，兵将士气正旺，正中央一将军胯下乌骓马，手中一杆画戟，威风凛凛，英气逼人，正是项王。刘邦倒抽一口冷气，再看自己的士兵，仓促集合，军容懈怠，在士气上先就败给了楚军。面对凶悍的楚军，汉军战一合败一合，楚兵个个以一当十，把汉王为义帝办丧事的各路大军杀得七零八落，四散奔逃，刘邦自知回天无术。殷王司马昂、河南王申阳都被霸王杀死，魏王豹转而投降霸王，常山王张耳一见大事不好，识时务者为俊杰，赶紧向后逃跑。楚军追杀了一阵，远远地望见汉王，就更加拼命追赶，幸亏有樊哙、周勃、卢绾死命保护着汉王，总算没有被霸王伤及性命。后面的项庄、恒楚、虞子期、季布等率领大队人马，冲杀过来，汉军大乱，自相践踏。
联军不明实情，又没有得到有效的组织，像无头苍蝇般四处乱撞，此时正中项羽之计，楚军骑兵驱赶、引诱，把联军逼到南方的谷水、泗水，而刘邦联军犹如从云端落入无底的深渊，昨天还意兴盎然，胜券在握；今天就祸从天降，不知其然，被项羽展开攻击，杀死十余万人。联军为了活命拼命南逃，逃到更南的灵璧（彭城南）东睢水上，争先恐后地要渡过睢水去。不料楚兵赶到，岸上的连滚带爬地被挤到水里，水里的因为人多船少，反倒把船弄翻许多。这样联军自相残杀，被挤落水者达十几万人，这十几万人掉到水里，把睢水都堵塞住了。
彭城之战最终成了一面倒的局势，剩下就是追击残兵败将，扩大战果，收拾残局。可惜由于项羽兵力单薄，追击战并未产生多大效果，刘邦诸将收拾残兵汇聚荥阳，顶住了楚兵的追击。
彭城之战项羽第一次利用骑兵独立作战，获得了空前绝后的胜利，创造了军事史上的奇迹！这次战争楚军大获全胜，不但歼灭刘邦主力，使刘邦陷入“发关中老弱未傅悉诣荥阳”的危机中，更使得项羽扭转了孤立无援的政治局面，重新占据楚汉战争的主动权。
刘邦从彭城溃败出逃，逃了一城又一城，始终逃不脱楚军的追杀。几个护卫大将也被楚军杀散，身边只有几百个士兵，好在有滕公夏侯婴舍命相保。此时后面的楚兵紧追不舍，很快把他们又重重包围起来。尘土满面、狼狈不堪的汉王长叹一声：“莫非天要亡我？”这时恰巧大风从西北刮起，风势摧枯拉朽，墙倒屋塌，飞沙走石，地暗天昏，迎头卷向楚军，楚军被吹得站立不稳，咫尺之间难辨敌我，霎时阵脚大乱，狼狈奔逃，刘邦趁机逃出楚兵的包围。
刘邦虽然被一场沙尘暴救了下来，逃出了重围，可是却无法摆脱后面的追兵，最终被项羽的追兵追了上来。刘邦之所以逃出重围，又被楚兵追上，主要是两个原因：一是刘邦逃亡途中，巧遇其子女，后来的惠帝刘盈与鲁元公主；二是项羽的骑兵比刘邦的马车跑得快，刘邦路遇其儿子、女儿，自然不得不收留在车上，但是，这样一来，车速肯定减慢了。刘邦为了活命，三番五次将儿子、女儿踹下车来。虽然刘邦如此“果敢”，但是，赶车的夏侯婴（滕公）还是坚持把刘邦的儿子、女儿救了出来，同时，项羽的追兵也追上来了。
被追上的刘邦怎么逃出来的呢？《史记·高祖本纪》中并没有记载，但是，《史记·季布栾布列传》记述了这一过程：“季布母弟丁公为楚将，丁公为项羽逐窘高祖彭城西，短兵接，高祖急，顾丁公曰：两贤岂相厄哉？于是丁公引兵而还，汉王遂解去。”
丁公是季布的舅舅，季布是楚汉战争时期最守信用的人，人们常说：得黄金百斤，不如得季布一诺。季布也是项羽手下的名将，也曾多次搞得刘邦非常狼狈，但是，季布始终忠于项羽。丁公作为季布的舅舅，私下放了刘邦，实属大错。刘邦也真是命大，一次彭城之战，先遇上一场沙尘暴，又遇上一个敢于徇私情放他一条生路的丁公。这两场偶然事件确实出乎意料，让人大跌眼镜，使项羽又一次失去除掉刘邦的机会。后来，等到刘邦灭了项羽，季布逃亡为奴，丁公自以为有恩于刘邦，竟然去面见刘邦。刘邦见到丁公，立即将丁公抓起来，在军中游行示众，并告诫军中：丁公为项羽之臣，却对项羽不忠，使项羽失去天下的正是丁公。最终杀了丁公，让人们永远记着不要做丁公那样的人臣。
随后，刘邦带着夏侯婴火速返回沛县，寻找失散的家眷。刘邦攻打彭城时，已将家属带回沛县，由乡人审食其帮助照顾。彭城大败来得突然，审食其判断楚军必来沛县抓汉王家属，于是紧急转移刘公、吕氏到山区避难。汉王去沛县接家眷，而项羽也派人到沛县去掳掠汉王的家眷。
审食其随太公、吕后从小路寻找汉王，没能找到汉王，反而遭遇了楚军。楚军就将他们一起带回，项羽便把他们安置在军营中做人质。
汉王没有接到太公和吕后，却得到了年轻貌美的戚氏，收为姬，也称戚夫人。刘邦收了戚夫人之后，继续逃亡，最终凭借对地形的熟悉才甩开了楚军的追击，带着两个孩子脱离险境，安全逃离了家乡沛县。
汉王一行逃脱危险后，闻知吕雉的哥哥吕泽（后封周吕侯）率汉军居于下邑（今安徽砀山县），便抄小路前往，并沿途收集失散的汉军士卒，于同年五月抵达荥阳（今河南荥阳县东北，是古代的军事要地）。同时韩信也收集失散的士卒，与汉王相会于荥阳。此时，陆续有失散的士卒回到汉王的部下。然而，被楚军击溃的失散士卒，重新集结起来的人数毕竟有限，难以同项王进行军事对抗。危难时刻，萧何将关中地区青壮年男子以外的老（超过56岁）弱（未满20岁），也都一律征发调往荥阳前线，补充兵员，同时向荥阳调运粮草，汉军因此重新得以振作。楚军从彭城出发乘胜追击，与汉军交战于京（邑名，今荥阳县东南）、索（索亭，今荥阳县城）之间。
汉王从步兵中挑选善于骑马的士卒充当骑兵，军中都推荐原秦军骑士李必、骆甲。汉王想任命二人为骑兵将领，李、骆说：“臣原为秦地人，恐汉军士卒不能信任，愿能得到大王左右善于骑射的近臣随从。”于是，汉王任命灌婴为中大夫令，以李必、骆甲为左右校尉，统率新组建的骑兵与楚骑兵交战于荥阳东，大破楚军，楚军因此而不能过荥阳向西进军。当时，汉军驻守于荥阳，修筑通往黄河的甬道，从敖仓（秦朝修建的著名大粮仓，地处荥阳北的敖山上）运送军粮，汉楚两军形成暂时的对峙的局面。
同年六月，汉王刘邦从荥阳前线回到都城栎阳。壬午日，汉王立儿子刘盈为太子，大赦罪人。
这一年的夏季，关中发生大饥荒，每斛米的米价高达万钱，甚至出现了人食人的现象。为渡过难关，汉王令关中百姓到蜀郡、汉中郡逃荒，以免饿死。
同年八月，因前线形势紧急，汉王不得不离开都城栎阳，前往荥阳。行前，汉王命萧何以丞相的身份作为关中留守，代表汉王主持汉政权的一切政务，令他扶持太子，为汉政权制定各项法律制度，即“为法令约束，立宗庙、社稷、宫室、县邑”，建立国家和地方各级政权。汉王赋予萧何对于那些来不及上奏的大事可以“便宜实施”的大权；待汉王回到栎阳后，向汉王做出报告即可。在汉军与楚军在荥阳对峙期间，萧何在关中建立了新的户籍制度，向前线调运军队所需的粮食，及时补充兵员，从未有过缺乏或断绝现象的发生，使得汉军在敌强我弱的形势下，有一个巩固的根据地。源源不绝地及时将粮草和补充兵员送往前线，使汉军得以多次渡过危机和难关，为汉军的转弱为强提供了后勤上的充足保证。
此时，萧何实际上已作为汉王的代理人来镇抚关中，因此萧何的权力确是炙手可热，在此期间，刘邦对其产生怀疑是不可避免的。这里有一个小故事说的就是发生在这一时期的事。
公元前204年，当楚汉两军在荥阳南面形成相持之势后，刘邦几次三番地派遣特使去慰问萧何，问寒问暖，使萧何内心深感不安。当时萧何身边有一个叫鲍生的人看出刘邦的用意，知道萧何为此事感到很忧虑，就向萧何进言说：“汉王出征，长年在外与项羽争夺天下，而把后方留守大权都交给了丞相您，他接二连三地派出使节不远千里地来慰劳丞相您，这说明汉王对丞相您已经起了猜疑之心。我现在替丞相您着想，不如趁汉王与项王相持不下时，多多地派遣丞相您的子弟族人到汉王军队里去效劳，这样，汉王自然会满心高兴，对丞相您的猜疑也就会烟消云散了。”于是萧何听从了鲍生的计策，立即派遣自己的兄弟子侄族人前往刘邦军中效力，刘邦果然大喜，不再怀疑萧何了。
楚汉在荥阳相持了两年多时间，这期间刘邦曾几次狼狈逃奔，只是在得到了萧何从关中调发来的兵员作补充后，刘邦的军队才又重新振作起来，因此楚军也始终不能越过荥阳西攻刘邦。这种情况一直到公元前203年8月，形势才发生根本性的变化。
这时韩信率兵攻入齐地，占领齐地又南下楚地展开了进攻，直接攻入项羽的后方基地，彭越也在梁地困扰项羽的后方，并断绝了楚军的粮道。因而项羽军心开始动摇，战斗力下降，项羽自知援绝粮尽，难以持久，于是决定与刘邦讲和，双方约定以鸿沟（大约从今河南郑州市北面经过开封至淮阳以南）为界，中分天下：鸿沟以西属刘邦，以东归项羽。
订立条约之后，九月，楚归还汉王的父亲太公和汉王的妻子吕雉，汉军军中高呼万岁。楚军撤兵东归，汉王也想按和约西归。这时，张良、陈平出面向汉王劝谏说：“汉已经占有天下的大半，而且诸侯又都相继归附；楚军士兵疲惫，军粮已尽，这正是上天灭亡楚国的时机。如今放任他们东归，不予攻击，这可是人们所说的‘养虎自遗患’啊。”
在楚汉相争的转折点，是张良、陈平对局势的正确分析，使汉王没有错过这个由相持转入反攻的良机。有利形势的发展之快，由于决策上的正确，远远超出了汉王乃至于张良、陈平的预料。
汉王五年（前202年）十月，汉王率大军追赶项王，到达阳夏（今河南太康县）南面时，汉军驻扎下来。韩信、建成侯彭越各自率大军前来，为对楚军形成围攻的形势，汉王令齐王约定日期在楚地会合，组成联军，对楚军发起围攻。
自楚汉战争以来，汉军除刘邦所直接统率的部队外，由韩信所直接统率的部队，破魏、破赵、破代、破齐，刘邦不止一次地抽调或剥夺韩信部下的精兵到荥阳前线与楚军作战，在楚汉战争中确实发挥了独当一面的重要作用。彭越自归属刘邦之后，在魏地（今河南）独立作战，游击楚军，经常截断楚军向荥阳运送粮食的粮道，在楚汉战争中也发挥了独当一面的特殊作用。韩信和彭越所直接统率的两支部队，兵员众多，训练有素，战斗力很强，在楚汉战争中曾多次大败楚军，为汉王做出了重大的贡献。就战斗力而言，刘邦所直接统率的部队是比不上韩信、彭越所统率的两支劲旅的。可以说，没有韩信和彭越两支部队参与对楚军作战，汉王能否在楚汉战争中渡过难关，坚持下来并转弱为强，是难以想象的。显然，当项羽引兵东归、刘邦率大军追击项羽之时，不借助于韩信、彭越的力量，也是难以取胜的。
汉王与韩信、彭越约定的会合地点是固陵（今河南太康县南）。当汉王统率大军到达固陵时，韩信和彭越却按兵不动，没有派大军如期前往固陵。在这种情况下，项羽回师发起攻击，大败汉军，汉王退入壁垒，深挖沟，高筑垒，对楚军采取守势。固陵战败的事实再次表明：没有韩、彭部队的参战，刘邦只是凭自己所直接统率的部队与项羽直接统率的部队作战，是敌不过项羽的。
在不利的形势下，汉王一筹莫展地对张良说：“诸侯的军队不听从我的调遣，这该怎么办才好？”
张良回答说：“楚军兵疲粮尽，眼看就要败亡，而韩信、彭越却没有得到分封的土地。韩信虽被立为齐王，但没有明确为他划归所辖封地的疆界，他们的军队不按期到来是很自然的。君王如果能与他们共同分享天下，现在可以立即把他们招来；如果不能，事情的成败就难以预料了。君王如果能把陈县以东直到海滨的地区全部划归齐王韩信；把睢阳以北至谷城的地区全部划归建成侯彭越，使韩、彭二人为着自身的利益‘各自为战’。这样楚军是很容易被打败的。”
刘邦对张良的这个计谋连声叫好，当即派出使者告知韩信、彭越说：“合力攻击楚军，楚军破灭后，自陈县以东直抵海滨的土地封给齐王，睢阳以北直到谷城的土地封给彭相国。”
使者到达后，分别向韩信、彭越转告汉王的旨意，韩、彭二人都说：“请今日进兵击楚。”
韩信率大军从齐地向楚地进发，这时被刘邦封为淮南王的英布已进入九江国。十一月，刘贾率兵南渡淮水，围攻寿春（今安徽寿县），派人向楚国大司马周殷诱降。周殷叛楚，用舒县（今安徽庐江县西南）的兵力屠灭了六邑（今安徽六安县东北），率领九江国的部队迎接英布，与英布合兵同行，屠灭城父（今安徽亳县东南城父村）。于是，韩信、彭越、英布的部队与刘邦所统帅的大军全部会合于垓下（今安徽灵璧县东南）。
项羽率楚军到达垓下，由于兵少且军粮已经用尽，与汉军交战而不能取胜，不得不退入壁垒之中。此时，刘邦已与各路诸侯会师，汉兵与诸侯兵把垓下楚军重重包围起来。
为瓦解楚军军心，汉军战士于夜间在四面唱起了楚地的歌曲。寂静的夜晚，阵阵楚歌时时传来，由远及近，忽高忽低，此起彼伏。歌声把困在重围之中的楚军将士从困倦和睡梦中唤醒。楚兵们听着那熟悉的家乡歌曲，心想偌大的楚国，众多的楚人，如今怎么都变成了汉王的军队？这四面的楚歌声，不明明是从汉军阵地上传出来的吗？
被围的楚军将士，大部是跟随项羽转战多年，在所向无敌的统帅之下，人人如同猛虎，所向披靡。而如今，又都身陷重围，粮食已尽，自知难以逃生。危难之中，昔日那备感亲切的楚歌，今夜却是那样地凄凉，令人顿生绝望之念。确切地说，在四周的汉军发起总攻之前，汉军在四面所唱起的楚歌声，把楚军将士以往的勇气和信心即他们的灵魂给摄走了，似乎变成了六神无主的躯壳。总之，四面的楚歌声从思想上解除了楚军的武装。试想，在这种形势和气氛之下，楚军将士还能够像当年在巨鹿城下那样“无不以一当十”“呼声震天”吗？
作为楚军将士最高统帅的项羽，此刻正在军帐中沉默无语。忽然间，他听到壁垒四周传来的楚歌声，大吃一惊，说道：“难道楚地已全被汉军占有了吗？为什么汉军中有这么多的楚人！”在四面楚歌声中，项羽觉得大势已去。此刻，他感到身边同他感情最深的，一是多年伴随他经历风雨的美人虞姬，一是多年来供他骑坐的、以“骓”命名的骏马。酒酣之后，项羽起身慷慨悲歌，自己作诗吟唱道：
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！
项羽把这首自作的歌词反复吟唱数遍，虞美人也含泪附和着伴唱。项羽这位一向出生入死的英雄，也不禁“泣下数行”。军帐中的左右侍臣，历来只见过项羽指挥千军万马，叱咤风云，哪里见到过统帅慷慨悲歌，泣下数行。面对着这种场面，那些视死如归的壮年汉子，也不禁泣不成声，不能抬起头来再看统帅一眼。
在后人流传和编写的这段故事中，当项羽在慷慨悲歌之时，虞美人在军帐中为项羽舞剑抒情，和项羽做最后的诀别，并自刎于项羽的面前。
项羽心中明白虞美人自刎身亡的一片深情，是为了不给自己的突围增加包袱，是提示自己应当立即冲出重围，不可再在帐中延误片刻。虞美人的行为，似乎给项羽以无穷的力量，使他重新振作起来。就在虞美人自刎的当天深夜，项羽带领部下的壮士和骑兵800余人冲出汉军的重重包围，向南方飞驰逃去。直到第二天天亮，汉军才发现项羽已逃出重围。刘邦得知项羽竟能从重重包围中逃走，大为惊讶，立即令骑兵将领灌婴率5000名骑兵紧追不舍。
项羽带领随从骑兵飞速急驰，天明后已渡过淮河，汉军的骑兵哪里能追赶得上。不过，能跟随项羽的战马飞速奔逃的，此时只剩下100余名骑兵，其余的都掉队了。项羽逃至阴陵（今安徽定远县西北），这里远离垓下已有300里的路程。慌忙之中，项羽迷失了道路，便向路旁田野中的一个老翁问路。这位“田父”可能是因为项羽杀害义帝对他怀恨在心，便欺骗项羽说：“往左走。”项羽向左奔走，结果战马陷入了一片沼泽之中。待项羽的百余名骑兵从沼泽中挣扎出来的时候，灌婴所率领的5000名汉军骑兵已经赶到。项羽又带领随从骑兵向东逃走，他坐下的“骓”马四蹄飞奔，尘土四起，到达东城（今安徽定远县东南）时，只剩下28名骑兵了，而后面追赶上来的汉军骑兵却有数千人。
项羽回首望去，见汉军骑兵遮天盖地般追来，尘埃四起。他考虑到一味奔逃已不是出路，便下令跟随的骑兵停了下来，对28位骑兵说道：“诸位兄弟，我起兵至今已有8年了。8年之中，我身经70余次战斗，凡是敢于抵挡的，无不被我击破；凡是被我攻击的，无不被我降服，从未曾有过败阵，这才称霸于天下。然而今天归终却被围困在这里，这是上天要灭亡我，并非是作战上有什么过错。今日要决一生死，为诸君痛快地战上一场，定要接连三胜敌人，为诸君表演溃围（突破包围）、斩将（斩杀敌将）、刈旗（砍断敌军旗帜），令诸君知道是上天要灭亡我，并非是作战上有什么过错。”
于是，项羽把28名骑兵分为四队，向四个方向冲杀。当时，汉军骑兵已将项羽等人重重包围，项羽对他的骑兵们说：“看我为你们斩杀他们的一将！”说完，令四队骑兵四向冲击，并约定到山的东边分三处集合。于是，项羽大吼一声，呼喊着乘战马急驰而下。项羽的兵马所到之处，汉军无不溃散，斩杀了一员汉军将领。当时，汉军的赤泉侯杨喜担任骑兵将领，奉命追赶项羽。临近项羽时，项羽怒目而视，大声呵斥，把杨喜的人马吓得退避到数里之外。项羽与骑士们在山东面的三处会合，汉军弄不清项羽在哪一处，就兵分三路把骑士们重新重重包围起来。项羽再次奔驰而下，又斩杀汉军一名都尉，杀死百十个敌兵。当项羽把骑士再度聚拢在一处时，仅损失两名而已。项羽向骑士们问道：“怎么样？”
“正像大王所说的那样。”骑士们都佩服地回答。
项羽的溃围、斩将、刈旗，使他和28名随从骑兵，除损失二人外，已经冲出了汉军的重重包围。于是，项羽一行人马飞速地来到了乌江（今安徽和县东北的一段长江，江西岸有个渡口名乌江浦）边上。项羽想渡长江，回到他起兵的江东（即长江南岸）。而乌江亭长此刻正把一只小船停靠在岸边，等待着项羽的到来。亭长对项羽说：“江东虽说狭小，但也地方千里，民众数十万人，足以称王于天下。愿大王急速渡江。大江之上，现在只有我这只小船，汉军赶到后，也无法渡江。”
面对着长江的滚滚流水，项羽眼前再次浮现出8年前率领8000名江东子弟兵渡江反秦的雄伟场面，那是何等壮烈！而如今，这8000名子弟兵都已捐躯沙场，无一生还，这如何向江东父老交待？想到这里，英雄一世的项羽毅然地打消了想要“东渡乌江”的念头，笑着对乌江亭长说：“上天要灭我，我还渡江做什么！况且我项籍当年率领8000名江东子弟渡江北上，如今无一人生还。纵使江东的父老们怜爱我，拥戴我为王，我还有什么脸面去见他们？纵使他们不说我什么，我项籍难道不独自有愧于心吗？”
项羽略微停顿了一下，抑制住自己激动的情绪对亭长说道：“您是位长者，我骑这匹战马已有5年，所向无敌，曾经一日行走千里，不忍心杀掉它，就送给您吧。”
项羽把战马送给乌江亭长后，令骑士全部下马步行，持短兵器同敌兵交战。项羽把“骓”送给亭长，与汉骑兵步战，表明他已不再想冲出重围。在千军万马的重重包围中，项羽的神威有一半是借助他这匹骏马，否则，他怎能冲出重围？当然，项羽在步战中也是无敌的。下马步战，“所杀汉军数百人，项王亦身被十余创。”看来，他无论如何也逃不出重围了。这时。项羽回头看见了他的旧日相识、现任汉军骑司马的吕马童，说道：“你是我的熟人吗？”吕马童面对项羽，指给王翳说道：“这就是项王。”
项羽对吕马童说：“我听说汉军悬赏千金买我的人头，封邑万户，今日我就给你们一些恩德吧。”说完，项羽自刎而死。
项羽自刎而死，王翳割取项羽人头，其余的骑兵互相践踏争夺项羽的肢体，相互残杀而死的骑兵有数十人。结果，郎中骑杨喜、骑司马吕马童、郎中吕胜及杨武四人，各得项羽一肢体。五人把所得头颅、四肢合在一起，正是项王的尸体。因此，汉王把封地分为5份，封吕马童为中水（今河南献县西北）侯，封王翳为杜衍（今河南南阳市西南）侯，封杨喜为赤泉（今河南渐川县西南）侯，封杨武为吴防（今河南省遂平县）侯，封吕胜为涅阳侯。
项羽死后，楚地全部向汉军投降，唯鲁地（今山东曲阜市）不降。汉王率大军想要屠城，兵至曲阜城下，还可听到城中的弦歌诵读之声，认为鲁人坚守礼义，为君主死节，便拿出项羽的人头令鲁人观看。鲁地父老见项羽已死，这才投降汉军。当初，楚怀王曾封项羽为鲁公。项羽死后，鲁地最后投降，因而按照鲁公封号应享有的礼义，将项羽安葬在谷城（今山东曲阜市西北的小谷城）。
项羽的各支宗族，汉王都不加以诛害，封项伯为射阳（今江苏淮安县东南）侯，封项襄为桃（今山东汶县东北，一说为桃丘）侯，封项佗为平皋（今河南温县东）侯，但都赐姓为刘氏。
司马迁作《史记》，为项羽作《项羽本纪》，与帝王的《本纪》并列，记载项羽一生的事迹。篇末，司马迁写了一段评论，评论说：
“我听周生说过。舜的眼睛大概有双瞳子，又听说项羽也有双瞳子，难道项羽是舜的后代吗？为什么兴起得那样的突然？当初秦朝政令有失，陈涉首先发难，豪杰蜂起，相互争夺，不可胜数。项羽并非有尺寸的权力可以凭借，乘势起兵于民间，历时三年，终于统率五路诸侯灭秦，分裂天下，封赏王侯，政令自项羽而出，号称霸王。王位虽未善终，但也是近古以来所未曾有过的。待到项羽放弃关中，怀恋楚国，驱逐义帝而称霸于东方，埋怨诸侯们背叛自己，处境就愈发艰难了。项羽以战功自夸，逞个人的智巧而不效法古人，认为霸王之业靠武力取得，想要以武力治理天下，不过五年便国家灭亡，自己也身死于东城，临终尚不觉悟而责备自己，这是大错而特错了。然而竟借口‘上天要灭亡我，并非是作战上的过错。’难道不是太荒谬了吗！”
汉王五年（前202年）十二月，项羽乌江自刎，汉军平定楚地，汉王率军归还，到达定陶（今山东定陶县西北）。在定陶，汉王再次采用突然袭击的手段，急驰入韩信军营，剥夺了齐王韩信对部下军队的指挥权。这就是汉王刘邦在消灭项羽之后所立即采取的一次异乎寻常的重大行动，也是刘邦在建立汉帝国前夕所采取的一项重大的断然措施。
在项羽自刎、天下诸侯纷纷归降汉王的时候，唯有临江王共敖不降，汉王派卢绾、刘贾攻击并俘虏了临江王共敖。
正月，汉王在剥夺韩信的军权之后，仍对韩信颇不放心，不愿他领有齐国的大片封地。因为齐地东面临海，无后顾之忧。为防止韩信在齐地发展成为割据势力，西向同他争夺天下，汉王在剥夺韩信兵权后，随即更立韩信为楚王，令他称王于淮北地区，都于下邳（今江苏睢宁西北），封地比在齐国的封地大大地缩小了。
同月，汉王向全国发布命令：
“天下连年战乱已有八载，万民百姓深受战争苦难；如今天下大事已毕，大赦天下死罪以下的囚犯。”
刘邦与项羽争夺天下，其目的人所共知。当项羽被消灭，全国基本平定，特别是刘邦向天下发布大赦令后，诸侯王们马上意识到，如今天下已经平定，大赦令已经颁布，汉王是准备即皇帝之位了。如不及早地尊汉王为皇帝，在名号上与汉王并列为诸侯王，日后还会有自己的安身立命之处吗？于是，为确保自身的安危和既得利益，楚王韩信、韩王信、淮南王英布、梁王彭越、衡山王吴芮、赵王张敖、燕王臧茶7位诸侯王联名向汉王刘邦上疏说：
“大王陛下，先时秦施暴政于民，天下群起而诛灭暴秦。大王最先攻入关中，接受秦王子婴投降，安定关中，于天下各路诸侯中功劳最高。大王存亡国，继绝世，定危救败，功劳盛大，恩德厚重。又施加恩惠于诸侯王中的有功之人，使其得立社稷。如今各诸侯王的封地已经划定，但位号与大王相比拟，没有上下的分别。致使大王的昭著功德，不能宣明于后世。故冒死再拜上皇帝尊号。”
刘邦做皇帝梦已有多年，如今天下已定，当然希望早一天即皇帝之位。然而当诸侯王请他“上皇帝尊号”时，他却故意虚伪客套地谦让一番。刘邦说：“寡人听说皇帝的名号只有贤德的人才可享有，空有皇帝的名号而无有贤德之实，就不该称皇帝，寡人不敢接受皇帝的名号。诸侯王都推举寡人，这是将要把寡人置于何处？”
“大王起身于平民，诛灭暴秦，威名震动海内。又以偏僻之地，自汉中起兵，行威德于天下，诛灭不义，立有功之人为王侯。如今已平定海内，功臣都已受到封地食邑，并不以为私有。大王恩德施加于四海，诸侯王的名号已不足以称道了，居帝位甚是名副其实，请大王以皇帝的名号临幸天下。”诸侯王及众将领无不坚持上皇帝尊号，再次申明理由。
汉王刘邦见诸侯王及群臣如此坚持尊自己为皇帝，心中十分高兴。但是，表面上他还是谦让再三，最后似乎出于不得已地向诸侯王说：“诸侯王以为那样会有利天下百姓，那就听从诸君吧。”
于是诸侯王及太尉、长安侯卢绾等300人，与博士稷嗣君叔孙通谨择良辰吉日，筹备汉王即皇帝之位的盛大典礼。
二月甲午日，诸侯王及群臣为汉王上皇帝尊号，汉王刘邦即皇帝位于汜水之阳（即汜水的北岸，在今定陶县西北），尊王后吕雉为皇后，太子刘盈为皇太子，追尊已故母亲为昭灵夫人。
刘邦于沛县起兵的8年之后，终于当上了皇帝。刘邦即皇帝位于汜水之阳，它标志汉帝国已经正式建立。继秦王朝之后，中国历史上又出现了一个新兴的统一王朝——汉王朝。
