刘邦率军西进，前后不到一年的时间，就灭亡暴秦，攻克咸阳，这个速度是相当惊人的，从中可以看出他过人的智谋和行动能力。进入咸阳以后，刘邦想住入秦宫中享乐，被张良、樊哙谏阻。于是刘邦封存了咸阳城中的“重宝财物府库”，还军灞上。十一月，他召集关中父老说：“你们为秦朝的苛暴法律所苦，我今天除去秦法，只和你们约定三条法规。”这就是著名的“约法三章”，即“杀人者死，伤人及盗抵罪”。刘邦此举安定了关中的民心，为他日后以此为基础进图天下，打下了稳固的基础。
项羽击溃秦军主力后，听说刘邦已入关中，匆忙纠集各路诸侯兵马西进，攻破函谷关（今河南三门峡西南），驻军新丰鸿门（今陕西临潼县东项王营）。刘邦的左司马曹无伤听说项羽杀了过来，想要自我撇清，于是偷偷跑至项羽的军营打小报告说：“沛公想在关中称王，拜子婴为丞相，把珍宝都据为己有。”范增劝项羽杀刘邦，准备天一亮就率军攻打刘邦驻军的灞上。当时项羽有兵马40万，号称百万，刘邦有兵马10万，号称20万，力量对比十分悬殊。如果两军对垒，刘邦根本就没有胜算。
项羽的叔父项伯因与张良素有交情，于是连夜策马到刘邦营中将范增的计谋密告张良，劝张良赶快逃避。张良把他引荐给刘邦，刘邦便请项伯从中调解。项伯答应为刘邦求情，但要他第二天亲自前往鸿门去赔罪。随后，项伯连夜赶回鸿门，劝说项羽。第二天早晨，刘邦亲自来见项羽，项羽设宴招待。席间，刘邦一个劲儿解释、告饶，项羽也就消了气，留他喝酒，还老实地说穿告密者：“是你的司马曹无伤说你想反对我呀。”范增三次举起所佩玉，示意项羽杀掉刘邦，项羽却一直犹豫不决。范增于是指使项羽的堂弟项庄来席前舞剑助兴，意在击杀刘邦。项伯见此情况，也拔剑起舞，并经常用自己的身体来掩护刘邦。
张良偷偷溜出营去，找到樊哙，说：“今者项庄拔剑舞，其意常在沛公也。”樊哙勃然大怒，腰佩长剑，挺着盾牌就往里闯，“嗔目视项王，头发上指，目眦尽裂”。项羽赐他酒喝，又命人呈上一只生猪腿。樊哙把生猪腿放在盾牌上，拔出剑一边切一边吃。项羽问：“壮士，能复饮乎？”樊哙慷慨陈词说：“我死都不怕，还怕多喝点酒吗？想那秦王，有虎狼之心，杀人唯恐杀得不多，判刑唯恐判得不重，天下人全都背叛他。楚怀王与诸将约定：‘先破秦入咸阳的，就在关中为王。’现在沛公先进入咸阳，什么都不敢碰，封闭宫室，还军灞上，专等将军您来。这样劳苦功高，没有封侯重赏，反而听信小人之言，想要杀害有功的沛公。这种行为和暴秦有什么两样？我认为您不应该这样做！”
项羽听了这话，感觉有点惭愧，半天开不了口。刘邦趁机借口上厕所逃了出去。樊哙劝刘邦快走，不用告辞了。刘邦就请张良替他向项羽等人告别，还送上白璧、玉斗各一双。他叮嘱张良：“这里距灞上20多里，我弃车骑马，和樊哙、夏候婴、靳强、纪信四人从骊山山麓逃回，你估计我到了，再去辞行。”张良依计行事。项羽并不生气，范增却恼得把送给他的玉斗扔在地上，拔剑乱砍，说：“竖子不足与谋，夺项王天下者，必沛公也。”那边刘邦一回到自己营中，立刻就杀了向项羽进谗言的曹无伤。
刘邦知道以自己目前的实力，根本无法和项羽对抗，于是打开城门，迎接项羽进入咸阳。项羽在咸阳大肆屠杀了一番，不但宰掉投降的秦王子婴，还放一把火把咸阳宫烧了，大火3个月都没有熄灭。这样的暴行，当然得不到关中人心，他自己心里也有数，就劫掠了大批财宝、美女，全都拉回关东去。
汉王元年正月（秦代纪年是以十月为岁首），项羽架空楚怀王，尊为义帝，将其送往长江以南居住。二月，他自立为西楚霸王，大封诸侯，破坏“先入关中者王之”的前议，把关中封给了秦朝的降将章邯、司马欣和董翳（这三个人也被称为“三秦王”），却封刘邦为汉中王（领地为今天四川大部分地区和陕西南部），想把刘邦封闭在当时较为偏远、落后的西南地区。面对项羽的强大势力和如日中天的声望，刘邦不敢不从，于是率军归蜀，还烧绝栈道，以示永不再回中原，以麻痹项羽。
其实对项羽分封不满的还大有人在，不止刘邦一个。项羽把反秦斗争中复国的各国诸侯都徙往偏远地区，把他们的土地空出来封给自己的将领和亲属，引起了各方面的反对。刘邦刚归国，关东就有田荣、陈馀等叛乱，项羽亲往征伐，但各地反抗的怒火却越烧越旺，使其自顾不暇，焦头烂额。于是刘邦拜韩信为大将，暗渡陈仓（今陕西宝鸡东），快速平灭三秦王，重新控制了关中地区。
刘邦烧绝栈道是在汉王元年（前206）的四月，八月就还定三秦，前后不过四个月的时间。整体策略短时间内作如此重大的调整，昭显了刘邦平定天下的宏图大志和决心。楚汉战争，就由此拉开了序幕。
