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消灭杨熊所部秦军后，沛公率军南下攻颖阳，杀之。
而此时张良再次与刘邦相遇。之前，张良劝项梁立韩成为韩王，并随韩王成西至韩地略地。
但是一年多来，所略之地每占辄失，始终没打开局面，因此游兵于颖川一带。
刘邦率军进至此，与张良的韩军合兵，攻轩辕略定韩地。赵别将司马卬欲渡河入关，刘邦率军北上，攻平阴，破坏渡口。
南下与秦军再战洛阳东，不利，南下阳城，收取城中军马。与南阳守齮战于犨东，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。
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、蜀和汉中共四十一县，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。
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，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。
韩信同年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，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。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、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。楚、汉订盟后，刘邦本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。公元前203年11月，两军战于固陵，项羽小胜。
公元前202年1月，刘邦以封赏笼络韩信、彭越、黥布等，垓下一战重创楚军。公元前202年1月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计70万人与10万久战疲劳的楚军于垓下）展开决战。
汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。
成皋之战韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军先诈败，信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后部步军。
楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑士分割两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。
后楚军退入壁垒坚守，被汉军重重包围。楚军兵疲食尽。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“人心都向楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头！”。
致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽只有率800人突围至乌江（今安徽省和县境），这时项羽身边只剩下28骑了，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。
项羽带着28骑大战汉军，最后全军覆没，项羽不愿被俘受辱，于是在乌江自刭而死。
秦子婴元年（前207）冬，沛公刘邦军灞上，秦王子婴跪捧玉玺献于咸阳道左，秦亡。