公元前206年5月，齐地首先开始了兼并的战争。与此同时，刘邦拜韩信为大将。韩信以其敏锐的政治洞察力和出众的军事才能，为刘邦规划和布置平定全国的宏图大略。
7月，东方的田荣已战领齐地全境。在秦末战争中立下赫赫战功的彭越因未被分封不满，起兵攻楚。刘邦见时机已到，就留下萧何坐镇巴、蜀，派人大张旗鼓地修理栈道，以吸引三秦军队的注意力。8月，则组织大军从陈仓（今陕西宝鸡东）道出兵，“明修栈道，暗渡陈仓”使汉军顺利地进击关中，三秦措不及防，很快被汉军所灭，关中之地重新被刘邦占领。在关中，刘邦采取了一系列措施使得汉在关中的统治巩固了下来。
公元前205年初，刘邦率兵出关向东挺进，先后降河南王、灭韩王、败魏王、殷王。3月，在灭殷后。刘邦南渡平阴津（今河南孟津东北），到达洛阳。在这里有一个叫董公的三老向刘邦献策：“我听说：‘顺德者昌，逆德者亡，兵出无名，事故不成’。常言说过：‘明其为贼，敌乃可服’，现在项羽无道，在一个月前派人杀了义帝，这是天下的贼臣也。仁不以勇，义不以力，汉王若令三军将士为义帝服丧，并告之天下诸侯，再为此东伐，则四海之内莫不仰望您的圣德。”这是让刘邦向天下公布项羽杀义帝的行为，使项羽处于政治上的被动地位，然后大张旗鼓地对其进行讨伐。刘邦采纳了这一建议，马上下令公开为义帝发丧，在葬礼上，刘邦脱衣袒臂号啕大哭三天，使在场的人莫不为之动情落泪。埋葬了义帝后，刘邦传檄各地，共同讨伐谋杀义帝的项羽，正式地对项羽宣战。
4月，刘邦趁项羽忙于在齐地讨伐齐王的机会，一举攻入项羽的都城——彭城。占领彭城后，刘邦得意忘形，只顾搜罗财宝美女，天天设置酒宴，大会部将宾朋。项羽在听说刘邦攻下彭城后，马上率三万精兵回救，很快就攻进了彭城。刘邦急忙率汉军南退，在谷水、泗水附近，汉军损失了十余万。在灵璧（今安徽灵璧）东的睢木，为逃命，汉军士兵争着渡河，又有十余万人被挤落在水中，一时间把睢水都给堵住了。在睢水，楚军把刘邦团团地包围了起来，就在这一危急的时候，似有神助，忽然从西北方刮起了一阵大风，吹得飞沙起石，地暗天昏，楚军也被吹得阵脚大乱。刘邦乘机率数十骑突围而去。刘邦一行经过沛城时，准备顺便把家小接走，但一问才知道，他的父亲和妻子在被其亲信护送逃难的路上，被楚军劫去，五岁的长子刘盈和三岁长女鲁元公主下落不明。刘邦无奈只好继续逃命，可巧在路上与刘盈和鲁元不期而遇，于是同车而行。可楚军一直在穷追不舍。刘邦见车上人多，影响速度，便把两个小孩推下车去。掌车的夏侯婴见状，马上跳下车把孩子抱了上来。就这样一连三次，夏侯婴对刘邦说：“尽管现在情急势紧，但车子已是快得不能再快了，怎么能抛下孩子呢？”一心逃命的刘邦气得几次想杀掉夏侯婴，最后，刘邦还是逃脱死难，两个孩子也在夏侯婴的保护下脱离了险境。
回到关中后，刘邦接受了张良的建议，派韩信攻打魏、赵牵制项羽。并派人说服了项羽的同盟九江王黥布反楚归汉。使刘邦在此后一年多的时间里，和项羽处于相持状态。在此期间，为削弱楚军，刘邦采用了陈平所献的离间之计，并以四万金让陈平去实施离间楚军内部关系。陈平先是成功地离间了项羽和得力战将钟离昧之间的关系。公元前204年4月，刘邦和项羽议和，但范曾却劝项羽火速攻打荥阳，占领这一关东与关中间的要地。刘邦为此忧心忡忡，这时项羽派的使者前往汉营，陈平置备了丰盛的宴席，命人去请楚使，陈平一见楚使就装作惊诧地说：“我还以为是亚父范曾的使者呢，原来你们是奉楚王之命而来。”说完马上让人把酒席撤去，改换成粗劣的饭食。楚使回国后，便把这一切都汇报给项羽，项羽开始怀疑起范曾，也就不肯再听范曾的话了。范曾听说项羽在怀疑他后，怒气冲冲地说：“如今天下大局已定，你自己干吧，但望能准我辞职回家！”在回家的路上，范曾因背上毒疮发作而死。
长时期的对峙，使项羽感到心力交瘁，特别是楚军的粮草供应越来越难，便想和刘邦速战速决。公元前203（汉四年），项羽在广武（今陕西富平东北）楚军阵前架起大锅，把刘邦父亲刘太公放在上面，通告刘邦说：“今天如不赶快决战，我就把太公给煮了！”刘邦回话说：“我曾和你盟誓结为弟兄，因此，我的父亲也就是你的父亲，假如你一定要煮杀你的父亲，那么望煮死后你能分给我一杯肉羹！”项羽听后怒不可遏，想要杀掉太公，项伯劝阻说：“天下之事是无法预料的，况且有志争夺天下的人是不会顾及自家人的。即使杀了太公又有什么用呢？不过是徒增祸患而已。”项羽听后才放弃了杀太公的念头。
项羽杀太公没能要挟住刘邦，又向刘邦传话说：“我们俩使天下沸沸扬扬地闹腾了这么多年了，现在我愿意向你挑战，决一雌雄，不要再让天下的百姓白白地忍受煎熬了！”刘邦笑着回话说：“我刘邦是宁肯斗智，不愿斗力！”项羽便连续三次派人到汉阵前挑战，都被汉营中以善射闻名的楼烦射死了。项羽勃然大怒，亲自披甲持戟上阵挑战。楼烦刚搭箭又要射击，但见来人愤怒地瞪大双眼厉声怒斥，那目光直盯得楼烦不敢直视，忘记了发弓，从而使项羽靠近刘邦。双方隔着一条河涧对话，项羽仍是单独向刘邦挑战，刘邦则是一条条地历数了项羽违约封王、滥杀无辜、暗杀义帝等十大罪状，然后说：“如今我率领正义之师随各路诸侯讨伐你这残虐的贼子，只须让那些受过刑罚的罪犯来攻打你就行了，又何苦要与你单独决斗呢？”这席话，气得项羽咬牙切齿，他举起装有发射机的大弩，射向刘邦，一箭射中刘邦胸部，刘邦弯腰抱住脚说：“这个乱臣贼子竟敢射伤我的脚趾！”第二天，刘邦仍坚持起身去抚慰军士，以安定军心。
公元前203年年底，项羽感到实在没有力量再和刘邦对峙下去了，便答应了刘邦以战国时魏惠王所开的鸿沟为界，平分天下。鸿沟以西归刘邦，以东则归项羽。项羽还放回了刘邦的父亲和妻子，并随即领兵解阵东归而去。汉王也想西行，张良、陈平劝阻说：“现在我们已得到大半个天下，诸侯又多来归附，而楚军已是兵疲粮尽。这正是我们灭楚的大好机会，我们如果放弃这一机会，放虎归山，后患无穷。”刘邦接受了他们的意见。
公元前202年（汉五年）年初，刘邦军队步步紧逼，把项羽逐到了垓下（今安徽灵壁东南陀河北岸），在垓下，兵少粮尽的项羽被汉军重重围住。天黑了，刘邦命汉军四面哼唱楚歌，那熟悉、缠绵的楚歌随风徐徐飘进楚营，项羽听了大惊失色。他心情沉重地起来，在帐中饮酒，情知大势已去的项羽，面对心爱的乌骓马和美人虞姬，不禁慷慨悲歌：
力拔山兮气盖世，
时不利兮骓不逝，
骓不逝兮可奈何，
虞兮虞兮奈若何！
据传说，虞姬曾和之曰：
汉兵已略地，
四面楚歌声，
大王意气尽，
贱妾何聊生。
项羽和虞姬的哀婉凄凉的歌声，不仅使项羽泪下，侍从人员也是痛哭失声，不忍心看霸王的悲惨情景。
当天夜里，项羽率八百骑兵突围，待到天明汉军发现时，项羽已渡过淮河，但到阴陵（今安徽定远县西北）后，迷了路的项羽被一农夫骗进了一片沼泽地中，使汉军重新追了上来。在经历一番死战后，项羽带领二十余骑兵来到乌江边，乌江亭长把船停在岸边对项羽说：“江东虽然狭小，但也是土地方圆千里，民众几十万人，是够您称王的了，望大王火速渡江！现在只有我这条船，汉军来后，是不可能有船渡江的。”项羽苦笑着说：“上天要灭亡我，我还要渡江干什么呢？况且当初我与江东八千子弟渡江西征，而今没有一个人归还，就是江东父老可怜我，仍然以我为王，我又有什么脸面去见他们呢？即使他们不责备我，我也是感到心中有愧的！”于是把所骑的乌骓马送给了亭长。自己在和追来的汉军血战一番后，自杀身亡。
历时四年的楚汉战争终以刘邦的胜利而告结束。想当初，在楚汉战争开始时，项羽有四十万之众，而刘邦仅有不到二十万人；项羽为诸侯之首时，而刘邦仅只是一汉王；况且项羽还有着“力拔山兮气盖世”的过人勇力。但最终为什么会落得自刎乌江的下场呢？主要原因是：刘邦知人善任，使守有贤臣，谋有良相臣，战有猛将，而项羽却是刚愎自用，仅有一个范曾都不能信任；刘邦能正确地运用战略战术，坚持和项羽斗智不斗力，而项羽却依恃其武力，有勇无谋；刘邦有着关中这一稳固的根据地，保证了战争中粮草兵员源源不断，而项羽的封地却是一个四战之地，顾此失彼，没有一稳固的后方；再加上项羽滥杀无辜，失掉民心，灭亡是历史的必然。当然，项羽至死也没有明白这一切，仍是坚信“这是上天要灭亡我啊，并不是我用兵有什么过错！”可悲可叹！
楚汉战争结束了，公元前202年2月初三，刘邦在汜水之南的定陶即皇帝位，是为汉高祖。5月定都洛阳，后在娄敬和张良的建议下迁都关中，开始在栎阳（今陕西临潼东北武屯镇附近古城村南），公元前200年2月，长安营建初具规模后，迁往长安。从此，长安成为汉王朝的都城。
