八月，沛公攻武關，入秦。秦相趙高恐，乃殺二世，使人來，欲約分王關中，沛公不許。九月，趙高立二世兄子子嬰為秦王。子嬰誅滅趙高，遣將將兵距嶢關。沛公欲擊之，張良曰：“秦兵尚強，未可輕。願先遣人益張旗幟於山上為疑兵，使酈食其、陸賈往說秦將，啗以利。”秦將果欲連和，沛公欲許之。張良曰：“此獨其將欲叛，恐其士卒不從，不如因其怠懈擊之。”沛公引兵繞嶢關，逾蕢山，擊秦軍，大破之藍田南。遂至藍田，又戰其北，秦兵大敗。
元年冬十月，五星聚於東井。沛公至霸上。秦王子嬰素車白馬，係頸以組，封皇帝璽、符、節、降枳道旁。諸將或言誅秦王，沛公曰：“始懷王遣我，固以能寬容，且人已服降，殺之不祥。”乃以屬吏。遂西入鹹陽。欲止宮休舍，樊噲、張良諫，乃封秦重寶財物府庫，還軍霸上。蕭何盡收秦丞相府圖籍文書。十一月，召諸縣豪桀曰：“父老苦秦苛法久矣，誹謗者族，耦語者棄市。吾與諸侯約，先入關者王之，吾當王關中。與父老約法三章耳：殺人者死，傷人及盜抵罪。餘悉除去秦法。吏民皆按堵如故。凡吾所以來，為父兄除害，非有所侵暴，毋恐！且吾所以軍霸上，待諸侯至而定要束耳。”乃使人與秦吏行至縣、鄉、邑告諭之。秦民大喜，爭持牛、羊、酒食獻享軍士。沛公讓不受，曰：“倉粟多，不欲費民。”民又益喜，唯恐沛公不為秦王。
或說沛公曰：“秦富十倍天下，地形強。今聞章邯降項羽，羽號曰雍王，王關中。即來，沛公恐不得有此。可急使守函穀關，毋內諸侯軍，稍征關中兵以自益，距之。”沛公然其計，從之。十二月，項羽果帥諸侯兵欲西入關，關門閉。聞沛公已定關中，羽大怒，使黥布等攻破函穀關，遂至戲下。沛公左司馬曹毋傷聞羽怒，欲攻沛公，使人言羽曰：“沛公欲王關中，令子嬰相，珍寶盡有之。”欲以求封。亞父範增說羽曰：“沛公居山東時，貪財好色。今聞其入關，珍物無所取，婦女無所幸，此其誌不小。吾使人望其氣，皆為龍，成五色，此天子氣。急擊之，勿失。”於是饗士，旦日合戰。是時，羽兵四十萬，號百萬。沛公兵十萬，號二十萬，力不敵。會羽季父左尹項伯素善張良，夜馳見張良，具告其實，欲與俱去，毋特俱死。良曰：“臣為韓王送沛公，不可不告，亡去不義。”乃與項伯俱見沛公。沛公與伯約為婚姻，曰：“吾入關，秋毫無所敢取，籍吏民，封府庫，待將軍。所以守關者，備他盜也。日夜望將軍到，豈敢反邪！願伯明言不敢背德。”項伯許諾，即夜複去，戒沛公曰：“旦日不可不早自來謝。”項伯還，具以沛公言告羽，因曰：“沛公不先破關中兵，公巨能入乎？且人有大功，擊之不祥，不如因善之。”羽許諾。
沛公旦日從百餘騎見羽鴻門，謝曰：“臣與將軍戮力攻秦，將軍戰河北，臣戰河南，不自意先入關，能破秦，與將軍複相見。今者有小人言，令將軍與臣有隙。”羽曰：“此沛公左司馬曹毋傷言之，不然，籍何以至此？”羽因留沛公飲。範增數目羽擊沛公，羽不應。範增起，出謂項莊曰：“君王為人不忍，汝入以劍舞，因擊沛公，殺之。不者，汝屬且為所虜。”莊入為壽。壽畢，曰：“軍中無以為樂，請以劍舞。”因拔劍舞。項伯亦起舞，常以身翼蔽沛公。樊噲聞事急，直入，怒甚。羽壯之，賜以酒。噲因譙讓羽。有頃，沛公起如廁，招樊噲出，置車官屬，獨騎，樊噲、靳強、滕公、紀成步，從間道走軍，使張良留謝羽。羽問：“沛公安在？”曰：“聞將軍有意督過之，脫身去，間至軍，故使臣獻璧。”羽受之。又獻玉鬥範增。增怒，撞其鬥，起曰：“吾屬今為沛公虜矣！”
沛公歸數日，羽引兵西屠鹹陽，殺秦降王子嬰，燒秦宮室，所過殘滅，秦民大失望。羽使人還報懷王，懷王曰：“如約。”羽怨懷王不肯令與沛公俱西入關而北救趙，後天下約。乃曰：“懷王者，吾家所立耳，非有功伐，何以得專主約！本定天下，諸將與籍也。”春正月，陽尊懷王為義帝，實不用其命。
二月，羽自立為西楚霸王，王梁、楚地九郡，都彭城。背約，更立沛公為漢王，王巴、蜀、漢中四十一縣，都南鄭。三分關中，立秦三將，章邯為雍王，都廢丘；司馬欣為塞王，都櫟陽；董翳為翟王，都高奴。楚將瑕丘申陽為河南王，都洛陽。趙將司馬卬為殷王，都朝歌。當陽君英布為九江王，都六。懷王柱國共敖為臨江王，都江陵。番君吳芮為衡山王，都邾。故齊王建孫田安為濟北王。徙魏王豹為西魏王，都平陽。徙燕王韓廣為遼東王。燕將臧荼為燕王，都薊。徙齊王田市為膠東王。齊將田都為齊王，都臨菑。徙趙王歇為代王。趙相張耳為常山王。漢王怨羽之背約，欲攻之，丞相蕭何諫，乃止。
夏四月，諸侯罷戲下，各就國。羽使卒三萬人從漢王，楚子、諸侯人之慕從者數萬人，從杜南入蝕中。張良辭歸韓，漢王送至褒中，因說漢王燒絕棧道，以備諸侯盜兵，亦視項羽無東意。
漢王既至南鄭，諸將及士卒皆歌謳思東歸，多道亡還者。韓信為治粟都尉，亦亡去。蕭何追還之，因薦於漢王，曰：“必欲爭天下，非信無可與計事者。”於是漢王齊戒設壇場，拜信為大將軍，問以計策。信對曰：“項羽背約而王君王於南鄭，是遷也。吏卒畢山東之人，日夜企而望歸，及其鋒而用之，可以有大功。天下已定，民皆自寧，不可複用。不如決策東向。”因陳羽可圖、三秦易並之計。漢王大說，遂聽信策，部署諸將。留蕭何收巴、蜀租，給軍糧食。
五月，漢王引兵從故道出襲雍。雍王邯迎擊漢陳倉，雍兵敗，還走；戰好畤，又大敗，走廢丘。漢王遂定雍地。東如鹹陽，引兵圍雍王廢丘，而遣諸將略地。
田榮聞羽徙齊王市於膠東而立田都為齊王，大怒，以齊兵迎擊田都。都走降楚。六月，田榮殺田市，自立為齊王。時彭越在巨野，眾萬餘人，無所屬。榮與越將軍印，因令反梁地。越擊殺濟北王安，榮遂並三齊之地。燕王韓廣亦不肯徙遼東。秋八月，臧荼殺韓廣，並其地。塞王欣、翟王翳皆降漢。
初，項梁立韓後公子成為韓王，張良為韓司徒。羽以良從漢王，韓王成又無功，故不遣就國，與俱至彭城，殺之。及聞漢王並關中，而齊、梁畔之，羽大怒，乃以故吳令鄭昌為韓王，距漢。令蕭公角擊彭越，越敗角兵。時張良徇韓地，遺羽書曰：“漢欲得關中，如約即止，不敢複東。”羽以故無西意，而北擊齊。
九月，漢王遣將軍薛歐、王吸出武關，因王陵兵，從南陽迎太公、呂後於沛。羽聞之，發兵距之陽夏，不得前。
二年冬十月，項羽使九江王布殺義帝於郴。陳餘亦怨羽獨不王己，從田榮借助兵，以擊常山王張耳。耳敗走降漢，漢王厚遇之。陳餘迎代王歇還趙，歇立餘為代王。張良自韓間行歸漢，漢王以為成信侯。
漢王如陝，鎮撫關外父老。河南王申陽降，置河南郡。使韓太尉韓信擊韓，韓王鄭昌降。十一月，立韓太尉信為韓王。漢王還歸，都櫟陽，使諸將略地，拔隴西。以萬人若一郡降者，封萬戶。繕治河上塞。故秦菀囿園池，令民得田之。
春正月，羽擊田榮城陽，榮敗走平原，平原民殺之。齊皆降楚，楚焚其城郭，齊人複畔之。諸將拔北地，虜雍王弟章平。赦罪人。
二月癸未，令民除秦社稷，立漢社稷。施恩德，賜民爵。蜀、漢民給軍事勞苦，複勿租稅二歲。關中卒從軍者，複家一歲。舉民年五十以上，有修行，能帥眾為善，置以為三老，鄉一人。擇鄉三老一人為縣三老，與縣令、丞、尉以事相教，複勿徭戍。以十月賜酒肉。
三月，漢王自臨晉渡河。魏王豹降，將兵從。下河內，虜殷王卬，置河內郡。至脩武，陳平亡楚來降。漢王與語，說之，使參乘，監諸將。南渡平陰津，至洛陽，新城三老董公遮說漢王曰：“臣聞‘順德者昌，逆德者亡’，‘兵出無名，事故不成’。故曰：‘明其為賊，敵乃可服。’項羽為無道，放殺其主，天下之賊也。夫仁不以勇，義不以力，三軍之眾為之素服，以告之諸侯，為此東伐，四海之內莫不仰德。此三王之舉也。”漢王曰：“善。非夫子無所聞。”於是漢王為義帝發喪，袒而大哭，哀臨三日。發使告諸侯曰：“天下共立義帝，北麵事之。今項羽放殺義帝江南，大逆無道。寡人親為發喪，兵皆縞素。悉發關中兵，收三河士，南浮江、漢以下，願從諸侯王擊楚之殺義帝者。”