秦二世三年八月份，沛公劉邦攻下武關，進入秦朝腹地。秦朝宰相趙高異常恐慌，秘密殺害秦二世，而後派人前來與劉邦談判，妄圖瓜分關中，劉邦拒絕趙高的請求。九月份，趙高立秦二世叔叔的兒子嬴子嬰為秦王，去皇帝號。嬴子嬰設計殺掉趙高，派秦將率領秦軍在嶢關據守。劉邦整理義軍，準備與秦軍決戰，張良勸說沛公：“秦軍依然強大，不能輕敵。此時沛公應該派人在山上布設旗幟，巧設疑兵，而後讓酈食其、陸賈前去勸降秦將，曉以利害，這樣做才有取勝的把握。”秦將同意媾和，沛公欲就此達成協議。張良又勸說沛公：“這隻是秦將願意投降，秦將手下的將領與士卒，未必肯服從，不如乘秦軍懈怠，襲擊秦軍。”劉邦遂率領義軍，繞過嶢關，翻過蕢山，猛攻秦軍，在藍田縣南，大敗秦軍。而後率領義軍進入藍田，又在藍田北麵，再次重創秦軍，終於打垮秦軍。
漢元年冬天（公元前206年）十月（漢初沿用秦曆，以十月為歲首），五星在東井宿彙聚。沛公來到霸上。秦王子嬰乘坐白馬素車，脖子上係著絲帶，封好皇帝的璽印符節，在枳道旁投降。劉邦手下有些將領提出，殺掉秦王子嬰，沛公劉邦說：“當初楚懷王派我入關，就是因為我能夠寬厚待人，現在秦王子嬰已經投降，殺降不祥。”於是將子嬰交予手下官吏，而後率領義軍，從西邊進入鹹陽。在鹹陽，看到秦宮巍峨，劉邦欲住在宮中，享受一下皇帝的生活，樊噲、張良勸說劉邦不要效法暴君。劉邦於是命令義軍將士封存秦宮中的寶物、府庫，將義軍帶回霸上。蕭何趁此機會，將秦廷、丞相府庫中的圖籍檔案等，全部搜集起來。到了十一月，劉邦召集秦地各郡縣豪紳、官吏，劉邦說：“父老鄉親們在秦政的嚴刑峻法下，已經受了很長時間的苦，誹謗者要被判處滅族罪，竊竊私語者要被判處殺頭示眾罪。我與各路諸侯義軍來之前商定，先進入關中者稱王，我先進入關中，按照約定，應該在關中稱王。現在我與父老們約法三章：殺人者死，傷人及偷盜者按照情節輕重判罪。其餘秦法，一律廢除。原秦廷官吏，按照原職務留用。我此次率領大軍前來，是為了為百姓除害，不是來虐害大家，請回去告訴父老鄉親們，不要害怕！我現在駐軍霸上，要等待其他諸侯義軍前來，再商議下一步的行動。”而後劉邦派人，在秦地原官吏的配合下，到各縣邑告諭當地百姓。秦地的百姓大喜，爭先恐後地擔著牛羊、酒食，到霸上犒勞義軍。沛公謝絕鄉親們的好意，沛公說：“我準備的軍糧還有很多，不麻煩鄉親們。”秦地百姓更加喜悅，唯恐劉邦不能留在秦地稱王。
有人勸說劉邦：“關中非常富庶，關中的富庶是天下的十倍，又有很好的地理條件。聽說秦將章邯已經投降項羽，項羽封章邯為雍王，雍在秦地關中，章邯將會在秦地稱王。章邯來了，沛公就不能再留在此地，不如現在即派出軍隊，守住函穀關，讓諸侯軍隊不能進來。假若沛公的軍隊不夠，還可以在關中征發士卒來補充，共同守住函穀關。”沛公認為這個建議很好，於是派人著手安排此事。十二月份，項羽果然率領諸侯聯軍從東邊向函穀關開進，抵近關前，發現關門緊閉。又聽說劉邦已經平定關中，項羽大怒，命令黥布等將領率軍攻破函穀關，項羽大軍隨即開至戲下。沛公手下有位左司馬，名字叫做曹毋傷，聽說項羽大怒，要攻打沛公，派人向項羽告密，曹毋傷說：“沛公要在關中稱王，讓子嬰做丞相，秦宮中所有的珍寶，已經收入囊中。”曹毋傷想通過告密，求得封賞。項羽的亞父範增勸說項羽，範增說：“沛公在崤山以東時，貪財好色，聽說入關以後，珍奇寶物無所取，殊色美女無所幸，此人誌向不小。我讓人對劉邦望過氣，那是龍形，呈五彩顏色，這可是天子氣色。將軍要盡快地打敗劉邦，不能錯失機會。”項羽犒賞全軍將士，準備第二天清晨大軍合擊劉邦。在當時，項羽大軍有四十萬，號稱百萬。劉邦義軍有十萬，號稱二十萬，力量懸殊很大，劉邦不可能戰勝項羽。項羽的叔父左尹項伯，與張良曾經是很好的朋友，在半夜裏，項伯騎著快馬來見張良，將項羽接下來的行動、事情起因，一五一十地告訴張良，讓張良與自己趕快逃走，不要在此地等死。張良說：“我為韓王送沛公到此地，走之前不能不告知一聲，如果這樣離開，不義。”張良與項伯一起去見沛公劉邦。劉邦聽聞此消息，大驚失色，繼而冷靜下來，與項伯先結為兒女親家，而後劉邦說：“我進入關中後，不敢私取秋毫，登記吏民，查封府庫，全是為了等候項將軍。把守住函穀關，也是為了防備盜賊。我在此地日夜盼望著項將軍的到來，怎麼會反對將軍！請項伯回去後向項將軍解釋，我不敢背叛將軍。”項伯答應了劉邦替他在項羽麵前講話，隨後趕回去。臨走前，項伯告誡沛公劉邦說：“明天，你一定要早點來，當麵解釋。”項伯回去後，將劉邦講的話詳細地告訴項羽，並且強調說：“假若不是沛公在關中打敗秦軍，將軍怎麼能這樣順利地進入關中？沛公為進入關中立下大功，將軍攻打沛公，說不過去，不如借此機會撫慰沛公一番。”項羽答應了。
第二天，沛公帶著數百名騎兵來到鴻門，拜見項羽，沛公誠懇地說：“我與將軍合力推翻秦朝，將軍在河北作戰，我在河南作戰，沒有想到會在將軍之前進入關中，現在秦朝推翻了，在這裏與將軍會麵。可恨的是，有小人挑唆，使得我與將軍之間產生裂痕。”項羽說：“是啊，這是沛公手下的左司馬曹毋傷告訴我的密報，否則，我不會采取行動。”項羽把沛公留下來，一起喝酒。在酒宴上，亞父範增幾次用眼色暗示項羽，要項羽殺掉沛公，項羽沒有理會。範增隻好站起來，走出帳外，叫來項莊，對項莊說：“君王（項羽）為人不忍心。你現在進去，表演劍舞，找準機會，用劍刺殺沛公，要一劍畢命。否則，我們早晚會成為沛公的俘虜。”項莊於是進入帳中祝酒。祝酒完畢，項莊說：“軍中沒有娛樂，請允許我以劍舞，為大家助興。”項伯看到這種情況，知道來者不善，即從座位上起身，與項莊一起舞劍，在舞到緊急時，就用身體擋住項莊，保護沛公。樊噲在帳外聽說沛公處於危險之中，手持盾牌闖入帳中，怒目直視。項羽欣賞樊噲的勇敢，賞賜樊噲酒肉。樊噲趁此機會責問項羽。接下來，劉邦佯裝要上廁所，招樊噲出帳，留下車馬隨從，獨自一人騎馬返回漢營。樊噲、靳強、滕公、紀成四人，從小路步行返回，留下張良向項羽謝罪，告知劉邦已經不辭而別。項羽問：“沛公現在何處？”張良回答：“沛公知道將軍因守關之事怪罪他，現在已脫身回去，估計已經到了漢營。沛公走之前讓我將這對玉壁獻給將軍。”項羽接受了玉壁。張良又向範增獻上玉鬥。範增大怒，擊碎玉鬥，起身說：“我們這些人早晚會成為沛公的俘虜！”
沛公返回漢營。數日後，項羽率領諸侯聯軍從西邊進入鹹陽，縱兵屠城，燒殺搶掠，而後將秦王子嬰殺掉，放火焚燒秦廷皇宮、殿宇，大軍過處，無不殘滅。秦地百姓大失所望。項羽派人向楚懷王奏報：義軍已經進入鹹陽，接下來封王事宜，該如何決定。楚懷王答：“按照原來商定的辦。”項羽怨恨懷王，當初沒有讓自己與沛公一起，向西攻入函穀關，而是讓自己北渡黃河，救援趙國，因而耽擱了時間，不能先進入關中。項羽講：“楚懷王是我們項家立的，沒有在戰場上立過戰功，封王的事情為何要由懷王來決定！推翻秦朝，打下天下，是諸位將軍與項籍我拚死掙來的結果。”漢紀元元年春天一月，項羽假意尊懷王為義帝，其實不再聽從懷王的詔命。
漢紀元元年二月，項羽在鹹陽主持分封，自封為西楚霸王。楚國領地有梁、楚九個郡，在彭城設都。違背原來的約定，項羽封沛公劉邦為漢王。漢國領地有巴郡、蜀郡，後來又加上漢中郡，共轄有四十一個縣，在南鄭設都。項羽將關中劃分為三部分，立秦朝三位叛將為諸侯王：章邯為雍王，在廢丘設都；司馬欣為塞王，在櫟陽設都；董翳為翟王，在高奴設都。項羽立楚將瑕丘申陽為河南王，在洛陽設都；立趙將司馬卬為殷王，在朝歌設都；立當陽君英布為九江王，在六縣設都；立楚懷王柱國共敖為臨江王，在江陵設都；立番君吳芮為衡山王，在邾縣設都；立原齊王田建的孫子田安為濟北王。項羽將魏王豹遷徙至河東為西魏王，在平陽縣設都；將燕王韓廣遷徙至遼東為遼東王；立燕將臧荼為燕王，在薊縣設都；將齊王田市遷徙至膠東為膠東王；立齊將田都為齊王，在臨淄設都；將趙王歇遷徙至代地為代王；立趙國相張耳為常山王；漢王劉邦怨恨項羽不按照原來的約定，而是將自己封為漢王，想起兵進攻項羽，丞相蕭何勸說劉邦，先暫時忍耐，劉邦最終作罷。
漢紀元元年夏天四月，各諸侯王在戲下分手，前往封國。項羽讓漢王劉邦率領三萬漢軍前往封國，此外有一些楚國士兵、諸侯國士兵，還有數萬人，願意追隨劉邦。劉邦率領漢軍，從杜縣向南進入蝕中（長安通往漢中的山間道路）。張良與劉邦告別，回去追隨韓王，漢王劉邦將張良送至褒中，張良勸說劉邦將棧道燒毀，一來防備諸侯沿著棧道偷襲漢國，二來也是告訴項羽，漢軍沒有東歸的意思。
漢王劉邦來到南鄭，手下將領和士卒一路上唱著歌，想著何時才能夠重返故鄉，很多人在途中逃亡。韓信當時擔任治粟都尉，也想逃走，蕭何親自將韓信追了回來。同時把韓信推薦給漢王。蕭何說：“君王如果想要奪取天下，一定要重用韓信，讓韓信幫助大王實現這個願望。”漢王於是齋戒沐浴，設立壇場，莊重地拜韓信為大將軍。接著，漢王問韓信，有什麼奪取天下的奇計妙策。韓信回答道：“項羽背棄盟約，將君王封在南鄭，明顯是在貶謫君王。君王的士兵均為崤山以東人，他們日夜盼望著，能夠早日返回故鄉，借他們有東歸的願望，我們即可以與諸侯爭奪天下，建立霸業。否則等到天下安定後，百姓均願意過上和平安寧的生活，到那時，再想要征用他們就難了，現在就要下定決心，向東發展。”接著韓信為劉邦分析，漢軍可以打敗項羽的條件，以及雙方力量的對比，孰優孰劣，還有奪取三秦的設想。漢王聽了韓信的一番分析，大喜過望，隨即按照韓信的設計，調兵遣將。將蕭何留在後方，治理巴郡、蜀郡，蕭何為出征將士準備軍糧，保障後勤。
漢紀元元年五月，漢王劉邦率領漢軍從陳倉道出擊，襲擊雍縣。雍王章邯在陳倉迎擊漢軍，兵敗退走；在好畤縣再戰，再次被漢軍打敗，章邯隻好率領殘軍退回至廢丘。漢王劉邦平定雍縣，而後率領漢軍向東進入鹹陽，漢軍將雍王章邯圍困在廢丘。接下來，漢軍將領在秦地四處拓展領地。
當田榮聽說項羽把齊王田市遷徙至膠東，立田都為齊王時，勃然大怒，率領齊軍迎擊田都。田都戰敗逃走，投奔西楚霸王項羽。六月，田榮殺田市，自立為齊王。在當時，彭越在巨野，手中掌握有一萬多軍隊，獨立於其他諸侯王。田榮授予彭越將軍印，命令彭越返回梁地。彭越於是進攻並斬殺濟北王田安，田榮遂兼並三位齊王的領地。燕王韓廣也不肯到遼東去。漢紀元元年秋天八月，臧荼殺掉韓廣，奪取燕王韓廣的領地。塞王司馬欣和翟王董翳先後投降漢王。
最初，項梁立原韓王後代韓成為韓王，張良擔任韓國司徙。後來，項羽認為張良追隨漢王劉邦，韓王成沒有戰功，不讓韓王返回封國，帶著韓王成來到彭城，又借故將韓王成殺掉。此時，項羽聽說漢王劉邦兼並關中，齊國、梁國背叛自己，勃然大怒，將原吳縣令鄭昌封為韓王，命令鄭昌擋住漢軍。命令原蕭縣令角進攻彭越，彭越將角率領的楚軍打敗。張良此時正在攻掠韓地，寫了一封書信給項羽，張良說：“漢軍奪取關中，是為了履行盟約，占領關中後，漢王即會停止用兵，不會再打出函穀關，到東麵來。”項羽相信了韓信的話，認為劉邦既然不會打出函穀關，也就沒有再向西用兵阻擋漢軍，而是掉頭向北，攻打齊國。
漢紀元元年九月，漢王派將軍薛歐、王吸從武關出兵，征調王陵在南陽掌握的軍隊，從南陽到沛縣迎接父親劉太公和妻子呂雉。項羽聽到這個消息，派兵在陽夏縣（今河南太康縣）阻擊漢軍，漢軍不能前進。
漢紀元二年（公元前205年）冬天十月份，項羽命令九江王英布在郴縣（今湖南省郴州汝城縣）殺害義帝熊心。陳餘怨恨項羽沒有封自己為諸侯王，從田榮那裏借兵，襲擊常山王張耳。張耳戰敗逃走，投降漢王劉邦，漢王熱情地接待了張耳。陳餘迎來代王趙歇，繼續做趙王，趙王歇投桃報李，封陳餘為代王。張良千辛萬苦，逃離韓國，沿著小路返回漢王身邊，漢王劉邦封張良為成信侯。
漢王劉邦率領大軍抵達陝縣，安撫關外父老。河南王申陽投降劉邦，劉邦遂在河南故地設置河南郡。劉邦派原韓國太尉韓信進攻韓國，韓王鄭昌投降。漢紀元二年十一月，劉邦立原韓國太尉韓信為韓王。劉邦率領大軍返回漢中，在櫟陽設都，然後派將軍們向秦地四周攻略，繼續擴大漢國領地，首先攻占隴西。為了擴大領地，劉邦設立軍功獎，攻占地域達到萬戶或者一個郡的將軍，賞賜萬戶食邑。而後整頓後方，加固河上郡（河上郡後來改稱為左馮翊）要塞。將原秦廷皇室苑囿開放給平民百姓，讓百姓們在苑囿中開荒種地，收獲糧食。
漢紀元二年春天正月，項羽率領楚軍在城陽縣進攻田榮，田榮戰敗，率領殘軍逃往平原縣。平原縣百姓抓住田榮，殺了田榮。齊國隨後投降西楚霸王項羽，項羽率領大軍在齊國焚燒城郭，屠殺百姓，齊國百姓大失所望，遂反叛項羽。漢王劉邦派出大軍攻占北地郡，俘虜雍王章邯的弟弟章平，又赦免了章平。漢紀元二年二月，漢王命令秦地百姓拆除原秦國社稷，改立漢國社稷，廣施恩德，撫恤民眾，采取原秦朝的封賞政策，賜予百姓民爵。蜀郡百姓需要為漢軍服徭役，劉邦頒布詔令，免除蜀郡百姓二年的賦稅；關中百姓被征召進漢軍服兵役者，免除家屬一年的賦稅和徭役。漢王又讓地方挑選年齡五十歲以上的百姓，品德高尚、有修養、有管理能力的老者，擔任鄉裏的三老，每鄉一人。選鄉裏三老一人擔任縣裏的三老，與縣令、丞、尉一起，管理地方百姓、實施教化，免除三老們的徭役。每年十月，政府要向三老賞賜酒肉。
漢紀元二年三月份，漢王劉邦率領大軍從臨晉縣渡過黃河，魏王豹投降，率領西魏國軍隊跟隨劉邦，與項羽爭奪天下。劉邦攻下河內，俘虜殷王司馬卬，劉邦在河內故地設置河內郡。接著劉邦率領大軍進抵修武縣，陳平在此時叛楚降漢。漢王劉邦與陳平一席長談，很讚賞陳平的見解，遂任命陳平為參乘，監督漢軍中的將軍。而後劉邦率領大軍，向南從平陰渡口渡過黃河，抵達洛陽。在新城邑，遇到一位姓董的三老，攔住漢王，董老向劉邦提出建議，老人講：“臣聽說‘順德者昌，逆德者亡’，‘兵出無名，事業難成’。因此說：‘明其為賊，可服敵寇。’當今，西楚霸王項羽無道，殺害義帝熊心，項羽即是天下的殘賊。以仁服眾，不以勇逞強，以義服眾，不以力妄為。君王應該命令漢軍將士為義帝穿上孝服，向天下諸侯宣示，此次東征，就是要向項羽討伐不仁、不義，這樣一來，四海之內，即會響應君王的義舉。這是當年夏禹、商湯、周武王做過的事情，以仁義討伐不義。”漢王劉邦說：“講得好，不是先生提醒，我還真地沒有想到這些。”劉邦隨即命令漢軍為義帝舉喪，在三天時間內，袒露身體，為義帝哭祭。劉邦向天下諸侯發出號令說：“當初起義，天下義軍共同擁立義帝，北麵稱臣，服侍義帝。而今項羽竟然將義帝驅逐至江南，還借機殺害義帝，真可謂是大逆不道。寡人今天親自為義帝舉喪，命令全軍將士，一律穿上孝服。調遣關中軍隊，收攬三河有識之士，乘船向南，沿著長江、漢水而下，希望與各諸侯們一起，討伐西楚霸王，為義帝報仇。”