項羽於是向西行進，壹路屠殺，焚燒了鹹陽城內的秦王朝宮室，所經過的地方，沒有不遭毀滅的。秦地的人們對項羽非常失望，但又害怕，不敢不服從他。
項羽派人回去向懷王報告並請示。懷王說：“按原來約定的辦。”項羽怨恨懷王當初不肯讓他和沛公壹起西進入關，卻派他到北邊去救趙，結果沒能率先入關，落在了別人之後。他說：“懷王，是我家叔父項梁擁立的，他沒有什麽功勞，憑什麽能主持定約呢！平定天下的，本來就是各路將領和我項籍。”於是假意推尊懷王為義帝，實際上並不聽從他的命令。
正月，項羽自立為西楚霸王，統治梁地、楚地的九個郡，建都彭城。又違背當初的約定，改立沛公為漢王，統治巴蜀、漢中之地，建都南鄭。把關中分為三份，封給秦朝的三個降將：章邯為雍王，建都廢丘；司馬欣為塞王，建都櫟陽；董翳為翟王，建都高奴。又封楚將瑕丘申陽為河南王，建都洛陽。封趙將司馬印為殷王，建都朝歌。把趙王歇改封到代地為代王。封趙相張耳為常山王，建都襄國。封當陽君黠布為九江王，建都六縣。封懷王的柱國***敖為臨江王，建都江陵。封番君吳芮（ruì，稅）為衡山王，建都邾（zhū，朱）縣。封燕將臧荼為燕王，建都薊縣。把原燕王韓廣改封到遼東為遼東王。韓廣不聽，從臧荼就率軍去攻打，在無終把他殺了。項羽又封給成安君陳余河間周圍的三個縣，讓他住在南皮縣。封給梅鋗十萬戶。
四月，各路諸侯在項羽的大將軍旗幟下罷兵，回各自的封國去。漢王也前往封國，項羽派了三萬士兵隨從前往，楚國和諸侯國中因為敬慕而跟隨漢王的有幾萬人，他們從杜縣往南進入蝕地的山谷中。軍隊過去以後，在陡壁上架起的棧道就全部燒掉，為的是防備諸侯或其他強盜偷襲，也是向項羽表示沒有東進之意。到達南鄭時，部將和士兵有許多人在中途逃跑回去了，士兵們都唱著歌，想東歸回鄉。韓信勸說漢王道：“項羽封有功的部將，卻偏偏讓您到南鄭去，分明是流放您。部隊中的軍官、士兵大都是崤（xiáo，淆）山以東的人，他們日夜踮起腳跟東望，盼著回歸故鄉。如果趁著這種心氣極高的時候利用他們，可以建大功。如果等到天下平定以後人們都安居樂業了，就再也用不上他們了。不如立即決策，率兵東進，與諸侯爭權奪天下。”
項羽出了函谷關，派人讓義帝遷都。並對義帝說：“古代帝王擁有縱橫各千裏的土地，而且壹定要居住在江河的上遊。”派使者把義帝遷徙到長沙郡的郴（chēn，琛）縣，催促他趕快起程，群臣於是漸漸背叛了他，項羽就秘密命令衡山王、臨江王去殺義帝，把義帝殺死在江南。項羽怨恨田榮，就封齊將田都為齊王。田榮很生氣，就自立為齊王，殺掉田都，反叛楚王；又把將軍印授給了彭越，讓他在梁地反楚。楚派蕭公角去攻打彭越，被彭越打得大敗。陳余怨恨項羽不封自己為王，就派夏說（yuè，悅）去遊說田榮，向他借兵攻打張耳。齊國給了陳余壹些兵力，打敗了常山王張耳，張耳逃走歸附了漢王。陳余從代地把趙王歇接回趙國，重新立為趙王。趙王因此立陳余為代王。項羽大為惱怒，發兵向北攻打齊國。
八月，漢王采用韓信的計策，順原路返回關中，襲擊雍王章邯。章邯在陳倉迎擊漢軍，雍王的軍隊被打敗，退兵逃走；在好畤（zhì，制）停下來再戰，又被打敗，逃到廢丘。漢王於是平定了雍地。漢王向東挺進鹹陽，率軍在廢丘包圍雍王，並派遣將領們去奪取土地，平定了隴西、北地、上郡。派將軍薛歐、王吸帶兵出武關，借著王陵兵駐南陽，到沛縣去接太公，呂後。楚王聽說後，派兵在陽夏阻截，漢軍不能前進。楚又封原吳縣縣令鄭昌為韓王，以抵拒漢軍。
二年（前205），漢王向東奪取土地，塞王司馬欣、翟王董翳、河南王申陽都歸降了漢王。韓王昌不肯歸降，漢王派韓信打敗了他。於是把攻占的土地設置為隴西、北地、上郡、渭南、河上、中地等郡；在關外設置了河南郡。改封韓國的太尉信為韓王。漢王下令各路將領，率領壹萬人或者獻出壹郡之地降漢的，封給他壹萬戶。修築河上郡的要塞。原先秦朝供帝王遊玩打獵的園林，都允許人們去耕種。正月，俘虜了雍王的弟弟章平。大赦天下罪犯。
漢王出了武關到達陜縣，撫慰關外的父老，回來後，張耳前來求見。漢王對他十分厚待。
二月，下令廢除秦的社稷，改立漢的社稷。
三月，漢王從臨晉渡黃河，魏王豹帶兵跟隨著。攻下河內，俘虜了殷王，設置了河內郡。又率軍向南渡過平陰津，到達洛陽。新城縣壹位掌管教化的三老董公攔住了漢王，向他說了義帝被殺的情況。漢王聽後，袒露左臂失聲大哭。隨即下令為義帝發喪，哭吊三天。派使者通告各諸侯說：“天下諸侯***同擁立義帝，稱巨事奉。如今項羽在江南放逐並殺害了義帝，這是大逆不道。我親自為義帝發喪，諸侯也都應該穿白戴素。我將發動關中全部軍隊，聚集河南、河東、河內三郡的士兵，向南沿長江、漢水而下，我希望與諸侯王壹起去打楚國那個殺害義帝的罪人！”
這時候，項羽正在北方攻打齊國，田榮和他在城陽交戰。田榮被打敗，逃往平原，平原的民眾殺了他。齊國各地也都歸降楚國。楚軍放火焚毀了齊國的城邑，掠走了齊人的子女，齊國人十分憤怒，又反叛楚國了。田榮的弟弟田橫立田榮的兒子田廣為齊王。齊王已在城陽舉兵反楚。項羽雖然聽說了漢王已經到東方來了，但因為已經與齊軍連續作戰多日，就想在打敗齊軍之後再去迎擊漢軍。漢王因此得以挾持常山王張耳，河南王申陽、韓王鄭昌、魏王魏豹、殷王昂五諸侯的軍隊，攻入彭城。項羽聞訊，立即率兵離開齊國，從魯縣穿過胡陵到達蕭縣，跟漢軍在彭城靈壁以東的睢水上激戰，大敗漢軍，殺了許多漢兵，睢水因此被阻塞不能暢流。項羽又派人從沛縣擄來了漢王的父母妻子、兒女，把他們扣留在軍中做人質。當時，諸侯們見楚軍強大，漢軍被打敗，又都背離了漢王而去幫助楚王。塞王司馬欣逃入楚國。
呂後的哥哥周呂侯為漢王率兵駐紮在下邑。漢王去投奔他，逐漸聚集士卒，駐紮在碭縣。然後率軍向西，經過梁地，到達虞縣。漢王派使者隨何到九江王黥布那裏去，說：“您如果能說服黥布發兵反楚，項羽壹定會暫停留在那裏攻擊黥布。只要項羽軍停留幾個月，我就壹定能取得天下。”隨何前去遊說九江王黥布。黥布果然反楚。楚派龍且前去攻打他。
漢王在彭城兵敗向西撤退的時候，途中派人去尋找家室，家室都已逃走，沒有找到他們。敗退途中只找到了孝惠。六月，立孝惠為太子，大赦罪犯。讓太子守衛櫟陽，把在吳中的各諸侯的兒子也都集中到櫟陽來守衛。接著，引水灌廢丘，廢丘降漢，章邯自殺。把廢丘改名為槐裏。於是命令掌管祭祀的祠官祭祀天地、四方、上帝、山川，要按時祭祀。又發動關內的士兵去防守邊塞。
這時候，九江王黥布與龍且交戰，沒打勝，就跟隨何壹起抄小路而行來歸附漢王。漢王又漸漸收集士兵，跟各路將領及吳中軍隊頻頻出動，因而隊聲威大振於滎陽，在京、索之間擊敗了楚軍。
三年（前204），魏王豹請假回鄉去探視父母的疾病，壹到魏國，就毀絕了黃河的渡口，反漢助楚。漢王派酈食其去勸說魏豹，魏豹不聽。漢王就派將軍韓信前去攻打，把魏軍打得大敗，俘虜了魏豹，於是平定了魏地，設置了三個郡：河東郡：太原郡、上黨郡。漢王隨即命令張耳與韓信率兵進攻取井陘(xing，形），攻打趙國，殺了陳余和趙王歇。第二年，封張耳為趙王。
漢王的軍隊駐紮在滎陽南面，修築了壹條兩旁築墻的甬道，和黃河南岸相連接，以便取用敖倉的糧食。漢王跟項羽互相對峙，持續了壹年多。項羽多次侵奪漢甬道，漢軍糧食缺乏，項羽於是包圍了漢王。漢王請求講和，條件是把滎陽以西的地方劃歸漢王。項王不答應。漢王為此而憂慮，就用陳平的計策，給了陳平黃金四萬斤，用以離間項羽和範增君巨之間的關系。項羽便對亞父範增產生了懷疑。範增當時是勸項羽務必攻下滎陽，當他遭到項羽猜疑後，非常憤怒，就托辭年老，希望項羽準許他乞身告退回鄉為民，結果還沒有到彭城就死了。
漢軍糧草斷絕，就趁夜把二千多名身披鎧甲的女子放出東門，楚軍從四面追趕圍打。這時將軍紀信乘坐著漢王的車駕，假扮成漢王的樣子誑騙楚軍。楚軍壹起高呼萬歲，都到城東去觀看，因此漢王才得以帶著幾十名隨從騎兵從城西門出去逃走。出城之前漢王命令禦使大夫周苛、魏豹、樅（cōng，聰）公守衛滎陽。那些不能隨從漢王出城的將領和士兵，都留在城中，周苛、樅公商量說：“魏豹是已經反叛過的侯國之王，難以和他壹起守城。”於是把魏豹殺了。
漢王逃出滎陽進入關中，收集士兵準備再次東進。袁生遊說漢王說：“漢與楚在滎陽相持不下好幾年，漢軍常陷於水利的因境。希望漢王出武關，項羽壹定率軍南下，那時大王加高壁壘，不出戰，讓滎陽、成臯壹帶得以休息。派韓信等去安撫河北趙地，把燕國、齊國連結起來，那時大王再兵進滎陽也不晚。這樣，楚軍就要多方防備，力量分散，而漢軍得到了休整，再跟楚軍作戰，打敗楚軍，就確定無疑了。”漢王聽從了他的計策，出兵於宛縣、葉縣之間，與黥布壹路行進，壹路收集人馬。
項羽聽說漢王在宛縣，果然率軍南下。漢王加固壁壘，不跟他交戰。這時候，彭越渡過睢水，和項聲、薛公在下邳（pī，批）交戰，彭越大敗楚軍。於是項羽就率軍東進去攻打彭越。漢王同時也就率軍北進，駐紮在成臯。項羽打跑了彭越，聽說漢王又駐進了成臯，就率軍向西，攻下了滎陽，殺死了周苛、樅公、並且俘虜了韓王信，接著包圍了成臯。
漢王逃走，只和滕公***乘壹車從成臯北面的玉門逃去，往北渡過黃河，驅馬跑到夜晚，留宿在修武。他自稱是使者，在第二天清晨，沖入張耳，韓信的軍營，奪了他們的軍權。又派張耳往北到趙地去大量收集兵卒，派韓信東進攻打齊國。漢王取得了韓信的軍隊，重新振作起來，率軍南進臨近了黃河，在小修武的南面犒勞部隊，想要跟項羽再戰，郎中鄭忠勸阻漢王，讓他加深壕溝，增高壁壘堅守，不要跟楚軍作戰。漢王聽從了他的計謀，派盧綰、劉賈率兵二萬人，騎兵數百名，渡過白馬津，進入楚地，跟彭越 的軍隊壹起在燕縣西面再次打敗了楚軍, 接著又攻下了梁地的十多座城池。
淮陰侯韓信已受命東進，還沒有渡過平原津。這時，漢王卻 暗中派酈食其前去遊說齊王田廣，田廣叛楚，與漢和好，***同進攻項羽。韓信見此，本想停止攻齊，蒯（kuǎi，快上聲）通勸他還是要攻下齊國，於是聽了蒯通的主意，襲擊並打攻了齊軍。齊王用大鼎把酈食其煮死，向東逃到高密。項羽聽 說韓信已率河北軍攻占了齊國、趙國，將要進攻楚國，就派龍且、周蘭前去打韓信。韓信跟他們交戰，騎將灌嬰出擊，大敗楚軍，殺了龍且。齊王田廣奔往彭城。這時候，彭越帶兵駐在梁地，往來襲擊騷擾楚軍，斷絕楚軍的糧食供給。
四年（前203），項羽對海春侯大司馬曹咎說：“妳們謹慎地守住成臯。如果漢軍挑戰，千萬不要應戰，只要別讓他們東進就可以了。我在十五天之內壹定能平定梁地，回頭再跟將軍們會合。”便率兵去攻打陳留、外黃、睢陽，都攻下來了。漢軍果然多次向楚軍挑戰，楚軍都不出來，漢軍派人辱罵他們，接連五六天，曹咎氣憤之極，領兵橫渡汜水。士兵剛剛渡這壹半，漢軍出擊，大敗楚軍，繳獲了楚國的全部金玉財物。大司馬曹咎、長史司馬欣都在汜水上自刎了。項羽到達睢陽，聽說海春侯被打敗，就率軍趕回來。漢軍這時把鐘離眛（mèi,妹）圍困在滎陽東面,項羽到來,漢兵已全部跑到深山險阻地帶去了。韓信攻下齊國後。派人去對漢王說:“齊國和楚國臨界，我的權力太小，如果不立個代理之王，恐怕不能安定齊地。”漢王想去攻打韓信，留侯張良說：“不如趁此機會立他為齊王，讓他自己為自己守住齊地。”於是漢王派張良帶著王印到齊國封韓信為齊王。
項羽聽說龍且的軍隊被打敗，就害怕了，派盱臺人武涉去遊說韓信反漢。韓信沒有同意。
楚漢兩軍相持很久，勝負未決，年輕人厭倦了長期的行軍作戰，老弱者由於運送糧餉疲備不堪。漢王和項羽隔著廣武澗對話。項羽要跟漢王單獨決壹雌雄，漢王則壹項壹項地列舉項羽的罪狀說：“當初我和妳項羽壹同受懷王之命，說定了先入關中者在關中為王，妳項羽違背了約定，讓我在蜀漢為王，這是妳的第壹條罪狀。妳項羽假托懷王之命，殺了卿子冠軍宋義，而自任上將軍，這是妳的第二條罪狀，妳項羽奉命援救了趙國，本應當回報懷王，而妳項羽卻擅自劫持諸侯的軍隊入關，這是妳的第三條罪狀。懷王當初約定入關後不準燒殺擄掠，妳卻焚毀秦朝宮室，挖了始皇帝墳墓，私自收取秦地的財物，這是妳的第四條罪狀。妳硬是殺掉已經投降的秦王子嬰，這是妳的第五條罪狀。妳采用欺詐手段在新安活埋了二十萬秦兵，卻封賞他們的降將，這是妳的第六條罪狀。妳項羽把各諸侯的將領都封在好地方，卻遷移趕走原來的諸侯王田市、趙歇、韓廣等，使得他們的臣下為爭王位而反叛，這是妳的第七條罪狀。妳項羽把義帝趕出彭成，自己卻在那裏建都，又侵奪韓王的地盤，把梁、楚之地並在壹起據為已有，這是妳的第八條罪狀。妳項羽派人在江南秘密地殺了義帝，這是妳的第九條罪狀。妳為人臣子卻謀殺君主，殺害已經投降之人，妳為政不公，不守信約，不容於天下，大逆不道，這是妳的第十條罪狀。如今我率領義兵和諸侯們來討妳這個殘害人的罪人，只讓那些受過刑的罪犯就可以掉妳項羽，又何必勞累我來跟妳挑戰呢？”項羽十分惱怒，埋伏好的帶機關的箭射中了漢王。漢王傷的是胸部，卻按著腳說：“這個強盜射中了我的腳趾！”漢王因受箭傷而病倒了，張良硬是請他起來出去巡行，慰勞部隊，以便穩定軍心，不讓楚軍占勝利的威勢壓過漢軍。漢王出去巡視軍營，病情加重，立即趕回了成臯。
漢王病愈後，西行入關，來到櫟陽，慰問當地父老，擺設酒席，殺了原塞王司馬欣，把他的頭懸掛在木桿上示眾。漢王在櫟陽停留了四天，又回到軍中，部隊駐紮在廣武。這時候，關中的軍隊出關參戰的也增多了。
這時候，彭越帶兵駐在梁地，往來襲擊騷擾楚軍，斷絕楚軍的糧食供給。田橫前往梁地依附他。項羽多次攻擊彭越等人，齊王韓信又進兵攻打楚軍，項羽害怕了，就跟漢王約定，平分天下，鴻溝以西的地方劃歸漢，鴻溝以東的地方劃歸楚。項羽送回了漢王的家屬，漢軍官兵都呼喊萬歲，然後項羽回營別去。
項羽罷兵回東方了，漢王也想率軍回西方。但漢王采用張良、陳平的計策，乘楚軍兵疲糧盡，索性就消滅它，於是進兵追趕項羽，到陽夏南面讓部隊駐紮下來，和齊王韓信，建成侯彭越約定日期會合，***同攻擊楚軍。漢王到達固陵，韓信、彭越卻沒有來會合。楚軍迎擊漢軍，把漢軍打得大敗。漢王又逃回營壘，深挖壕塹固守。又采用張良的計策派使者封給韓信、彭越土地，使他們各自為戰，於是韓信、彭越都來會合了。黥布和劉賈進入楚地，圍攻壽春，漢王卻在固陵打了敗仗，於是派人去召大司馬周殷，讓他出動九江軍隊擊迎會武王黥布，行軍途中屠戮了城父（fǔ,甫）, 然後隨劉賈、齊、梁諸侯的軍隊在垓下大會師。漢王封武王黥布為淮南王。
五年（前202），高祖和諸侯軍***同進攻楚軍，與項羽在垓下決戰。 淮陰侯韓信率領三十萬大軍與楚軍正面對陣，他的部將孔將軍在左邊，費將軍在右邊，漢王領兵隨後，絳侯周勃、柴將軍跟在漢王的後面，項羽的軍隊大約有十萬。淮陰侯首先跟楚軍交鋒，不利，向後退卻。孔將軍、費將軍從左右兩邊縱兵攻上去，楚軍不利，淮陰侯乘勢再次攻上去，大敗楚軍於垓下。項羽的士兵聽到漢軍唱起了楚地的歌，以為漢軍已經完全占領了楚地，項羽戰敗逃走，楚軍因此全部崩潰。漢王派騎將灌嬰追殺項羽，壹直追到東成，殺了八萬楚兵，終於攻占平定了楚地。只有魯縣人還為項羽堅守，不肯降服，因為懷王當初封項羽為魯公。漢王就率領諸侯軍北上，把項羽的頭給魯縣的父老們看，魯人這才投降。於是，漢王按照魯公這壹封號的禮儀，把項羽葬在谷城。然後回師定陶，驅馬馳入齊王韓信的軍營，奪了他的兵權。
正月，諸侯及將相們***同尊請漢王為皇帝。漢王說：“我聽說皇帝的尊號，賢能的人才能據有，空言虛語，不是我所要的，我可承擔不了皇帝的尊號。”大臣們都說：“大王從平民起事，誅伐暴逆，平定四海，有功的分賞土地封為王侯，如果大王不稱皇帝尊號，人們對大王的封賞就都不會相信。我們這班人願意以死相請求。”
漢王辭讓再三，實在推辭不過了，才說：“既然諸位認為這樣合適，那我就為了國家的便利吧。”甲午日，漢王在汜水北面登臨皇帝之位。
皇帝提到義帝沒有後代。因為齊王韓信熟悉楚地的風俗，就改封韓信為楚王，建都下邳。封建成侯彭越為梁王，建都定陶。原韓王信仍舊為韓王，建都陽翟。改封衡山王吳芮為長沙王，建都臨湘。番君的部將梅鋗有功勞，曾經隨漢軍進入武關，所以皇帝感激番君。淮南王黥布、燕王臧荼、趙王張敖封號都不改變。
天下全都平定了，高祖定都在洛陽，諸侯都稱臣歸從於高祖。原臨江王***驩（huān，歡）為項羽效忠，反叛漢朝，高祖派盧綰、劉賈去包圍了他，沒有攻下。過了幾個月***驩才投降，在洛陽把他殺了。
五月，士兵都遣散回家了。各諸侯子弟留在關中的，免除賦稅徭役十二年，回到封國去的免除賦稅徭役六年，國家供養他們壹年。
高祖在洛陽南宮擺設酒宴。高祖說：“列侯和各位將領，妳們不能瞞我，都要說真心話。我之所以能取得天下，是因為什麽呢？項羽之所以失去天下，又是因為什麽呢？”高起、王陵回答說：“陛下傲慢而且好侮辱別人；項羽仁厚而且愛護別人。可是陛下派人攻打城池奪取土地，所攻下和降服的地方就分封給人們，跟天下人同享利益。而項羽卻妒賢嫉能，有功的就忌妒人家，有才能的就懷疑人家，打了勝仗不給人家授功，奪得了土地不給人家好處，這就是他失去天下的原因。”高祖說：“妳們只知其壹，不知其二。如果說運籌帷幄之中，決勝於千裏之外，我比不上張子房；鎮守國家，安撫百姓，供給糧餉，保證運糧道路不被阻斷，我比不上蕭何；統率百萬大軍，戰則必勝，攻則必取，我比不上韓信。這三個人都是人中的俊傑，我卻能夠使用他們，這就是我能夠取得天下的原因所在。項羽雖然有壹位範增卻不信用，這就是他被我擒獲的原因。”