公元前207年十一月，项羽率军四十万打进关中，杀死了已经投降的秦王子婴，又放火烧了阿房宫。接着，项羽以胜者自居，自称西楚霸王，并以霸主的身份大封诸侯王。其中刘邦被封为汉王，居汉中、巴蜀之地（今陕西南部及四川一带）。刘邦对项羽自恃强大，违背“先入者为王”的先前之约，甚为不满，但他自知力量不如项羽，只好暂时委曲求全。为了控制刘邦，项羽又特意三分关中，封了三个秦的降将即章邯，司马欣，董翳为王，史称“关中三王”。项羽则东归，定都彭城。但由于项羽分封不公，引起诸侯和功臣的不满。分封不久，握有重兵而未得封王的田荣首先在齐地（今山东临淄地区）起兵，自立为齐王。项羽率兵攻打田荣，刘邦见有机可乘，便乘东方战事再起，项羽忙于平定东方诸侯国叛乱无暇西顾之机，率兵消灭了关中三王，出其不意地重新夺取关中，后又挥兵东下，一举攻下彭城。从此，与项羽展开了长达四年之久的“楚汉战争”。
彭城失守后，项羽立即回师相救，项羽军队士气正盛，而项羽又是盖世英雄，浩浩荡荡的大军疯狂逼来，刘邦此时却疏于防范，被胜利冲昏了头脑。结果，刘邦被项羽打得丢盔弃甲，苍皇出逃。项羽俘虏了他的父亲和妻子。刘邦逃到荥阳、成皋一带后，又重整队伍，韩信也带兵前来支援，刘邦渐渐恢复元气。由于东进西击，项羽的力量也渐渐削弱。于是，项羽、刘邦逐渐形成了相持不下的局面。
在四年的楚汉战争中，项羽一直处于优势地位，但由于项羽为人刚愎自用，军纪涣散，处处扰民，所以不得民心。而刘邦则不然，他知人善用，军纪严明，又善于联合各地反项羽力量，以孤立项羽。逐渐地，项羽和刘邦的优劣势地位逐渐发生了转换。眼见刘邦日渐强盛，而自己则因为长期征战，人困马乏，实力渐弱，项羽只好暂时和刘邦讲和，放回其父亲与妻子，约定鸿沟为界，分而治之，互不侵犯。刘邦深知项羽已到了兵疲食尽的地步了，如果划界分而治之，不趁机消灭他，必定养虎自患。公元前203年十二月，刘邦在项羽放回父亲和妻子后，立即撕毁协议，会同各路诸侯对项羽发动了进攻。项羽疏于防范，仓促应战，节节败退，一直退到垓下（今安徽固镇）。一日夜里，项羽在其爱妾虞姬的陪伴下正在军帐中借酒消愁，忽听汉军在四面唱起了楚地民歌，以为汉军已把楚地全部占领了，惊恐不已。于是，项羽挥泪告别虞姬，自领八百名壮士突围。天亮时，刘邦发现项羽已逃，连忙派兵追杀。当项羽跑到乌江（今安徽和县东北）时，被汉军追上。两军短兵相接，展开肉搏战。项羽仅剩下的二十八个人也被汉军杀死。穷途末路的项羽奋力拼杀了一阵，面对如此惨状，这位曾经以一夫挡百万之勇的一代枭雄，自感无颜再见江东父老，遂拔剑自刎。历经四年的楚汉之争，最终以农民出身的刘邦的胜利而宣告结束。
公元前202年二月，刘邦即皇帝位，建立西汉王朝，刘邦就是汉高祖。
