秦二世元年（公元前209年）十二月，陈胜被车夫庄贾所杀。次年（公元前208年）六月，项梁知道陈胜确实已死，就在薛县召集各部将领，立原楚怀王的孙子心为楚怀王（即义帝），定都盱眙（今江苏盱眙）。这时，秦大将章邯已经攻灭了魏国和齐国。七月，楚军经过休整，开始向秦国反攻。楚军连连胜利，项梁被胜利冲昏了头脑，骄傲起来，别人进谏也听不进去了。九月，章邯得到秦关中的援兵后，乘项梁不备，突然夜袭定陶，结果楚军大败，项梁被杀。击杀项梁后，章邯认为楚国已不再构成威胁，就渡河进攻赵国。赵王向楚怀王求救。
接到赵国的求援信，楚怀王和众将商讨，决定分兵两路：一路以宋义为上将军，项羽为次将，范增为末将，北上救赵；一路以刘邦为将西进关中。最初，楚怀王曾和诸将约定：谁先攻入都城咸阳，就封谁为关中王。”但这时，由于秦军强大，许多将领都不愿意抢着入关。只有项羽为了给项梁报仇，要求和刘邦一起入关。楚怀王和老将们考虑：项羽为人剽悍残酷，不如刘邦宽厚仁慈。所以最终他们没有同意项羽的要求，还是派了刘邦独自率军入关。
经过连番征战，汉王元年（公元前206年）八月，刘邦攻入武关，向咸阳逼近。秦相赵高杀死二世，派人向刘邦求和，被刘邦拒绝。九月，秦王子婴即位，他诛灭赵高，派兵在蛲关（今陕西商县西北）抵挡刘邦。刘邦率军绕过蛲关向秦都进攻，在蓝田之南打败秦军，接着在蓝田又大破秦军。十月，刘邦即进抵咸阳东郊灞上（今陕西西安东）。秦王子婴被迫乘坐素车白马，脖子上系着请罪的带子，捧着玺印向刘邦投降。秦王朝灭亡。
十月，刘邦进入咸阳。当时他以“关中王”自居，准备就住在宫中，好好享受一番。樊哙提醒他这将重蹈秦的覆辙，他却不以为然。张良又进谏说：“秦王朝的统治残暴无道，所以才能使你进入关中。你想为天下除去残暴，自己首先就必须以朴素为资。现在刚刚入秦，却安于享乐，这是所谓的‘助纣为虐’。‘忠言逆耳利于行，良药苦口利于病’，樊哙讲的话虽有些难听，但为了夺取天下，我希望你还是听从他的劝告。”这样，刘邦才听从了他们的劝告，“乃封秦重宝财物府库，还军灞上”。只有萧何带着“秦丞相御史律令图书”，回到军中。
十一月，刘邦召集各县一些有名望的人士，向他们宣布：“我们这次入关，目的是要推翻秦的暴政。我们不会侵犯你们，不要害怕！‘诽谤者族，偶语者弃市’，你们苦于秦的苛法已经很久。我曾与诸侯约定，先入关者做关中王，我应该做关中王。所以我现在和你们约法三章：杀人者死，伤人及盗抵罪。原来的秦法一律废除，所有官吏和行政也都保留。”刘邦派人和秦朝原来的官吏一齐到各县、乡邑去宣传。老百姓听说后非常高兴，都纷纷带着牛羊酒肉来慰问义军。刘邦辞让说：“仓库里的粮食很多，我不能让你们破费。”老百姓更加高兴，惟恐刘邦不做关中王。
这时，一个谋士向刘邦献计说：“秦的财富十倍于天下，地形也很险固。现在听说章邯已经投降项羽，在关中被封为雍王。他们如果来了，你恐怕就不能再做关中王了。你应该赶快派兵守住函谷关，不要让他们入关。”刘邦认为他的意见很对，于是派兵驻守函谷关。
项羽在救赵消灭秦军主力后，也率军向关中进发。汉王元年十二月，他来到函谷关。一见关门紧闭，又听说刘邦已平定关中，项羽大怒，当即命当阳君英布攻破函谷关，接着率四十万大军开到戏下（今陕西临潼东北戏水西岸）。这时，刘邦的左司马曹无伤听说项羽发怒，为了日后求封，就暗中派人向项羽告状说：“沛公欲称王关中，让子婴做相国，把秦的珍宝都据为已有。”项羽一听，更是火上加油，加之谋士范增也劝项羽赶快除掉刘邦，因此他下令犒劳士兵，明天一早就向刘邦进攻。刘邦当时只有十万人，在兵力上完全处于劣势。在大难就要临头之际，却来了救星。这个救星就是项羽的叔叔项伯。
项伯和刘邦的谋臣张良交往甚密，张良曾救过他的命。他听说项羽马上就要向刘邦进攻，就连夜驰入刘邦军中，想把张良带走。张良却对他说：“沛公有大难，我作为谋臣不能一声不吭就走，要走也得把这个事情告诉他。”张良告之刘邦，刘邦听了大惊，要张良赶快考虑对策。张良说：“大王现在应亲自去见项伯，说明你不敢背叛项王。”刘邦对项伯以好酒招待，并约为儿女亲家，然后说：“我入关后，丝毫不敢有所取，登记吏民，封存府库，以等待将军（指项羽）。所以遣将守关，是为防备盗贼和其他意外。我日夜盼望将军到来，怎么敢反叛呢！希望您能替我向将军说明这个情况。”项伯答应了，并对刘邦说：“你明天拂晓定要亲自去对项王赔礼。”刘邦答应后，项伯即连夜返回，把刘邦的话告诉了项羽，并劝项羽说：“沛公不先破关中，你能顺利入关吗？人家有大功，不该这样对待，还是好好相待才是。”项羽表示同意，取消了进攻计划。
第二天一早，刘邦率张良、樊哙和一百多个骑兵来到项羽的营帐鸿门，向项羽赔礼。项羽宴请刘邦，席上明争暗斗，剑拔弩张，演出了历史上有名的“鸿门宴”。在酒宴上，范增多次目示项羽除掉刘邦，项羽却犯了妇人之仁，假装看不见。范增又让项庄借舞剑为名趁机刺杀刘邦，项伯却用身体护住了刘邦，这就是成语“项庄舞剑，意在沛公”的由来。刘邦借上厕所的名义中途离开，回到了大营，逃过了这一劫。刘邦回到军中后立即处死了险些置他于死地的小人曹无伤。
鸿门宴后，项羽即率兵西进咸阳，杀秦王子婴，烧秦宫室，掳掠财物妇女，然后东归。到汉王元年（公元前206年）二月，他以最高统帅的身份，尊怀王为义帝，立诸将为王、侯。诸侯王共分封了19个，项羽自立为西楚霸王，管辖梁、楚九郡，定都彭城；立刘邦为汉王，管辖巴、蜀、汉中41县。
四月，项羽遣诸侯各自就国。刘邦没有办法，也只好前往南郑（今陕西汉中）。项羽当时只给了他三万士兵，加上自愿随从的几万人，也不到十万人。为了防备其他诸侯的袭击，也为了向项羽表示不再争夺天下，刘邦接受张良的建议，把通往汉中的栈道烧了。这样，从陈胜开始反秦到秦灭亡，长达三年的战乱暂时平息了。
楚汉相争中原逐鹿
刘邦虽然来到了南郑，但他并不甘于受封为汉王。只是考虑到自己势单力孤，才没有立即起来反对项羽。而到了南郑，情况发生了变化：一方面，刘邦所率士卒不服水土，日夜思念东归，形势迫使他必须立即决断；另一方面，项羽分封不均，齐国田荣起兵反叛，也为刘邦提供了东进的机会。刘邦决定出关与项羽决一雌雄。恰好萧何又向他推荐了将才韩信，认为“必欲争天下，非信无可与计事者”，刘邦便任命韩信为大将。韩信向他建议：“我们的军吏和士卒都是山东（指函谷关以东）人，他们日夜企望东归，借助这股士气，可以建立大功。我们应该立即决策，率军东进。”刘邦非常高兴，就让他全权部署作战计划。汉王元年（公元前206年）五月，刘邦以萧何为丞相，留守巴蜀，安抚后方，自己则和韩信率领大军暗渡陈仓（今陕西宝鸡东），很快占领了整个关中地区，楚汉战争正式爆发。
汉王二年（公元前205年）十一月，正当项羽与齐、赵激战时，刘邦率兵出关向中原进军。汉军声势浩大，河南王申阳主动投降，刘邦置其地为河南郡。郑昌顽抗，被韩信击破，也被迫投降。
次年三月，刘邦北渡黄河，西魏王豹带兵投降。殷王司马欣负隅顽抗，被刘邦击败后俘虏。接着，刘邦又南渡黄河，攻克洛阳。四月，刘邦率各路诸侯，兵力达五十六万人，向东伐楚，很快攻下了彭城。
项羽知道刘邦出关东进后，并没有立即回师迎战。他准备把齐国彻底击破后，再全力对付刘邦。这时听说刘邦已经占领彭城，便率领精兵三万，急返彭城。当时刘邦还在彭城置酒和各路诸侯庆功，楚军在早晨向汉军发动进攻，一日之中，大破汉军。汉军沿谷、泗二水退逃，被杀死十几万人。又在灵璧（今安徽宿县西北）东濉水上被项羽追上，又有十几万汉军被杀死，尸横遍野，“濉水为之不流”。刘邦仅与数十骑逃脱，路上恰遇女儿和儿子，而父亲和妻子早被楚军俘虏。各路诸侯看到刘邦大败，纷纷叛离。
刘邦退到荥阳（今河南省郑州市西部），收集逃散士卒。这时，萧何从关中派来增援部队，连50岁以上的老人和不满20岁的青年都被征入伍。同时韩信也收兵前来会合，汉军复振。五月，在荥阳南边京、索之间击破楚军，使楚军不能越过荥阳西进。在此期间，刘邦还派说客说服英布叛楚。英布是项羽手下的一员猛将，他的反叛不仅使项羽丧失了一支重要的力量，同时由于项羽要分兵平叛，也给刘邦的正面战场减轻了压力。
当时，汉军在荥阳一带设防，为了保证军粮，汉军修筑甬道，从黄河上通过，到原秦的大粮仓敖仓去搬运粮食。项羽多次侵夺汉军的甬道，想断绝汉军的粮草。
四月，项羽包围了荥阳。刘邦无奈，向项羽请和，约定荥阳以西为汉。项羽准备答应，但范增认为：“现在要彻底消灭汉已经很容易，如果放过机会，无异于放虎归山。”于是，项羽听从范增的意见，猛攻荥阳。刘邦使用陈平之计，离间项羽和范增。项羽派使者到荥阳劝降，刘邦让人捧着丰盛的食物去招待，看见使者，假装惊愕说：“我以为是亚父（项羽称范增为亚父）的使者，原来却是项王的使者。”然后把好菜好饭拿走，换上很差的饭菜。使者很生气，回去报告项羽。项羽从此怀疑范增与汉私通，不再采纳范增的一些主张。范增为此大怒，对项羽说：“天下事大局已基本定了，大王你好自为之吧。你让我还是做一个普通百姓安度天年吧！”就这样，范增离开了项羽，还没有走到彭城，就背上生疮气愤至死。由此可见项羽刚愎自用，勇猛有余智谋不足，这是他最后失败的主要原因。
五月，楚军对荥阳的攻势更加猛烈，荥阳形势危急，在这种情况下，将军纪信建议刘邦，让自己代替他假装投降，以使刘邦借机逃离。于是夜半时分，从城东门先放出2000多名身着甲胄的妇女，楚军立即从四面围打。这时纪信坐着刘邦的车子，假扮成刘邦的样子，从东门出，向楚军说：“食尽，汉王降楚。”楚军以为真是汉王刘邦，便高呼万岁，都到城东观看。刘邦则带着几十个骑兵从西门突围而走。项羽没有捉住刘邦，气得把纪信烧死了。
项羽占领荥阳后，接着又攻克重镇成皋（今河南荥阳汜水镇）。汉王四年（公元前203年）十月，成皋又被刘邦攻克。攻占成皋后，刘邦立即进围荥阳。
项羽听说成皋失守，立即回师。刘邦撤围后退，两军在荥阳东北的广武山形成对峙。对峙数月，项羽感到这样下去对自己不利。因为刘邦夺取成皋后，可以从敖仓取得军粮，而楚军却由于彭越在后方骚扰，粮道经常遭到袭击，军粮供应不上。项羽把前时俘虏的刘邦的父亲太公带到了阵前，对刘邦说：“现在你不赶快投降，我把你的父亲烹了。”不料刘邦对此毫不在意，竟说：“我和你曾受命怀王，约为兄弟，我的父亲就是你的父亲，如果你一定要烹了你的老子，那么看在兄弟份上也分给我一碗肉汤吧。”项羽气得发昏，当时就要杀掉太公。项伯劝他说：“究竟谁能得到天下还不知道，况且争夺天下的人六亲不认，即使杀了也不起作用，只会使两方的怨仇更深罢了。”项羽只好作罢。
不久，项羽又向刘邦单独挑战。刘邦却笑着拒绝说：“我和你只斗智，不斗力。”这一句话实际上道出了刘邦取胜的根本所在！接着刘邦接受谋士建议，宣布项羽有十大罪状：“第一，你负前约，没有让我称王天下，而是称王蜀汉。第二，你杀死首领宋义，取而代之。第三，你救赵之后，本该息兵，却进军关中。第四，火烧阿房宫，中饱私囊。第五，你杀死秦王子婴。第六，你坑杀秦的投降士卒二十万。第七，对诸侯王分封不公。第八，将义帝赶出彭城，自己据为都城。第九，暗害义帝。第十，为人臣而弑主，杀害已经投降的士兵，主持政务不公平，主持约定也不守信用。我现在率领天下义军诛杀你这残忍的逆贼，用受过刑的罪人来杀你也就够了，何必非要和你单独决斗呢！”
项羽听后大怒，弯弓射中了刘邦的胸部。双方这样对峙了10个月，刘邦兵盛粮多，项羽兵疲粮绝。最后在辩士侯公的说和下，刘邦和项羽约定：双方以鸿沟（今河南荥阳、中牟、开封一带）为界，“中分天下”，西边属汉，东边归楚。项羽送还了刘邦的父亲和妻子。
鸿沟之约后，项羽率兵东去，刘邦也想引兵西还。张良、陈平进谏说：“汉已据有天下大半，诸侯又都归附，楚已兵疲粮尽，这是天要亡楚之时，不借这个机会消灭项羽，那真是养虎遗患了。”刘邦醒悟，立刻向楚军追击。
