公元前207年十一月,項羽率軍四十萬打進關中,殺死了已經投降的秦王子嬰,又放火燒了阿房宮。接著,項羽以勝者自居,自稱西楚霸王,並以霸主的身份大封諸侯王。其中劉邦被封為漢王,居漢中、巴蜀之地(今陝西南部及四川一帶)。劉邦對項羽自恃強大,違背“先入者為王”的先前之約,甚為不滿,但他自知力量不如項羽,隻好暫時委曲求全。為了控製劉邦,項羽又特意三分關中,封了三個秦的降將即章邯,司馬欣,董翳為王,史稱“關中三王”。項羽則東歸,定都彭城。但由於項羽分封不公,引起諸侯和功臣的不滿。分封不久,握有重兵而未得封王的田榮首先在齊地(今山東臨淄地區)起兵,自立為齊王。項羽率兵攻打田榮,劉邦見有機可乘,便乘東方戰事再起,項羽忙於平定東方諸侯國叛亂無暇西顧之機,率兵消滅了關中三王,出其不意地重新奪取關中,後又揮兵東下,一舉攻下彭城。從此,與項羽展開了長達四年之久的“楚漢戰爭”。
彭城失守後,項羽立即回師相救,項羽軍隊士氣正盛,而項羽又是蓋世英雄,浩浩蕩蕩的大軍瘋狂逼來,劉邦此時卻疏於防範,被勝利衝昏了頭腦。結果,劉邦被項羽打得丟盔棄甲,蒼皇出逃。項羽俘虜了他的父親和妻子。劉邦逃到滎陽、成皋一帶後,又重整隊伍,韓信也帶兵前來支援,劉邦漸漸恢複元氣。由於東進西擊,項羽的力量也漸漸削弱。於是,項羽、劉邦逐漸形成了相持不下的局麵。
在四年的楚漢戰爭中,項羽一直處於優勢地位,但由於項羽為人剛愎自用,軍紀渙散,處處擾民,所以不得民心。而劉邦則不然,他知人善用,軍紀嚴明,又善於聯合各地反項羽力量,以孤立項羽。逐漸地,項羽和劉邦的優劣勢地位逐漸發生了轉換。眼見劉邦日漸強盛,而自己則因為長期征戰,人困馬乏,實力漸弱,項羽隻好暫時和劉邦講和,放回其父親與妻子,約定鴻溝為界,分而治之,互不侵犯。劉邦深知項羽已到了兵疲食盡的地步了,如果劃界分而治之,不趁機消滅他,必定養虎自患。公元前203年十二月,劉邦在項羽放回父親和妻子後,立即撕毀協議,會同各路諸侯對項羽發動了進攻。項羽疏於防範,倉促應戰,節節敗退,一直退到垓下(今安徽固鎮)。一日夜裏,項羽在其愛妾虞姬的陪伴下正在軍帳中借酒消愁,忽聽漢軍在四麵唱起了楚地民歌,以為漢軍已把楚地全部占領了,驚恐不已。於是,項羽揮淚告別虞姬,自領八百名壯士突圍。天亮時,劉邦發現項羽已逃,連忙派兵追殺。當項羽跑到烏江(今安徽和縣東北)時,被漢軍追上。兩軍短兵相接,展開肉搏戰。項羽僅剩下的二十八個人也被漢軍殺死。窮途末路的項羽奮力拚殺了一陣,麵對如此慘狀,這位曾經以一夫擋百萬之勇的一代梟雄,自感無顏再見江東父老,遂拔劍自刎。曆經四年的楚漢之爭,最終以農民出身的劉邦的勝利而宣告結束。
公元前202年二月,劉邦即皇帝位,建立西漢王朝,劉邦就是漢高祖。