在公元前206年，即漢王元年的五月，劉邦讓蕭何任丞相，負責管理后方巴蜀地區，他親自和韓信領兵從陳倉（現在陜西寶雞東）偷渡，迅速占領了關中全部，至此，著名的楚漢戰爭正式爆發。

    楚漢戰爭分為兩個階段，前一階段是劉邦處于下風，屢次被項羽殺得大敗而歸。后來，劉邦離間了項羽和范曾，逐漸占據上風，最后將項羽徹底打敗。

    楚漢雙方又對陣了十個多月，因為有關中和蜀地的支援，劉邦逐漸占了上風，而項羽則兵源缺乏，糧草不足，難以和漢軍抗衡。在侯公的撮合下，項羽和劉邦定下了停戰協定：楚漢以鴻溝（現在河南滎陽、中牟和開封一線）為分界線，東西分治。協定達成之后，項羽將戰爭中擒獲的劉邦的父親和妻子送還。

    項羽領兵東返，劉邦也打算領兵回關中。張良和陳平則極力勸說劉邦趁機滅掉項羽，因為這時項羽兵不精糧不足，萬一他回到彭城，等于是縱虎歸山。劉邦聽了趕緊命令追擊。同時派人命韓信和彭越火速集結，合擊項羽。

    在公元前202年的十月，劉邦追上了項羽，但到了固陵（現在河南太康西）時，韓信和彭越的軍隊還沒有到達。項羽向漢軍猛烈反擊，將漢軍擊潰。劉邦只得堅守不出，并馬上派人許諾韓信和彭越，在擊敗項羽后立即封他們為齊王和梁王，于是韓信和彭越立即進兵。同時，楚的大司馬周殷也被劉邦派人勸降，淮南王英布領兵也趕來會師。漢軍會合各路援軍共三十萬，和項羽決戰垓下。夜里，圍困項羽的漢軍唱起了楚國蒼涼的歌，使項羽以為漢軍已占有全部楚地。走投無路的項羽在大帳中和心愛的虞姬飲酒，乘著酒力慷慨而歌：“力拔山兮氣蓋世，時不利兮騅不逝。騅不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”

    虞姬當著項羽的面含淚自刎，項羽擦去眼淚，躍馬率領八百騎兵趁夜突圍，在渡過淮河后，身邊只剩下了一百人，向東撤退，在東城（現在安徽定遠東南）被灌嬰的騎兵追上，項羽隨從只有二十八人了，和漢軍激戰三次，殺傷幾百漢軍后，項羽最后橫劍自刎。