消滅楊熊所部秦軍後，沛公率軍南下攻穎陽，殺之。
而此時張良再次與劉邦相遇。之前，張良勸項梁立韓成為韓王，並隨韓王成西至韓地略地。
但是一年多來，所略之地每占輒失，始終沒打開局麵，因此遊兵於穎川一帶。
劉邦率軍進至此，與張良的韓軍合兵，攻軒轅略定韓地。趙別將司馬卬欲渡河入關，劉邦率軍北上，攻平陰，破壞渡口。
南下與秦軍再戰洛陽東，不利，南下陽城，收取城中軍馬。與南陽守齮戰於犨東，大破南陽秦軍。
楚軍追至南陽，想繞過直接西進。張良勸道：“沛公雖欲急入關，秦兵尚眾，距險。今不下宛，宛從後擊，強秦在前，此危道也。”
於是劉邦還攻南陽。南陽守見楚軍去而複返，並包圍宛城。於是想自殺。
於是他的門客陳恢勸他不要先死，並出使楚營。雙方約定後，南陽守投降。
劉邦率軍繼續西行，奪取了丹水（今河南淅川）。而高武侯戚鰓、穰侯王陵這時也加入劉邦所率領的楚軍，攻下西陵、胡陽。
並且番君吳芮的部將梅鋗也至此，與沛公軍聯合，攻下析（今河南西峽縣）、酈等地。
劉邦所部楚軍進至武關東。於是派魏人寧昌使秦，而這時章邯也投降了項羽。趙高殺秦二世，令使者還報劉邦，欲約分關中。
劉邦以為趙高為詐計，於是從張良之計，使酈食其、陸賈遊說武關（今陝西丹鳳縣武關鎮）秦將降，然後襲擊武關秦將，奪取武關。
之後，劉邦一麵率軍西進，一麵令酈商別將攻取了秦的漢中、巴、蜀等地。
接著漢軍再在嶢下擊敗秦軍，這樣劉邦所部楚軍進至秦都鹹陽附近的藍田。
秦廷在組織了最後的力量與劉邦軍隊大戰於藍田，劉邦軍隊沒有象當年周文那樣一敗塗地，而是大破秦軍。這樣秦朝失去了所有的抵抗力量。
漢元年十月，秦王子嬰素車白馬，係頸以組，降軹道（位於今陝西省西安市城區）旁，向劉邦獻上了傳國玉璽。秦朝至此滅亡，共立國15年零47天。
劉邦很得意地進入了鹹陽城，以“關中王”自居。看著富麗堂皇的宮殿，劉邦有些留戀起來，準備就此住下，享受享受。
樊噲勸他注意天下還沒有平定，別忘了秦的前車之鑒。
劉邦根本聽不進去，直到張良親自來勸，他這才認識到了問題的嚴重性。於是，劉邦將軍隊撤退到了灞上。
劉邦到達灞上之後，便召集當地的名士，和他們約法三章：殺人者死，傷人及盜抵罪。
其他秦朝的苛刻法製一律廢除，這使他得到了民心支持。
項羽項羽在打敗章邯，迫使他投降之後，也領兵直奔關中而來。
範增勸他趁機除掉劉邦這個對手，項羽就下令準備，要在第二天進攻。
這時的劉邦在兵力上無法和強大的項羽相抗衡，他隻有十萬軍隊，不可能戰勝項羽的四十萬精兵。
最後是項羽的叔叔項伯“救”了劉邦：項伯和劉邦的謀士張良很要好，見項羽要進攻了，便連夜潛入營中找到張良，讓他趕緊走，以免被殺。
張良卻說不能丟下劉邦，就將消息透露給了劉邦。
驚慌之下，劉邦趕忙向張良要計策，張良讓劉邦趕緊去見項伯，說明自己沒有野心和項羽爭奪王位。
劉邦依計約到項伯，說明自己並無稱王野心，並於項伯約成兒女親家。
項伯當天夜裏就返回了軍營，他對項羽說：
“因為沛公先行進入關中，為我們掃除了入關的障礙，我們這才能順利地通過函穀關，沛公是有功勞的人，我們不應該猜疑他，應該真誠相待。”
項羽聽了，便決定不再進攻劉邦。
第二天，劉邦來到了項羽的軍營，隻帶了樊噲、張良和一百名精銳親兵。到了項羽的大帳鴻門，當麵向迎接他的項羽賠禮道歉。
項羽請劉邦入內赴宴，項羽的亞父範增，一直主張殺掉劉邦，在酒宴上，一再示意項羽發令，但項羽卻猶豫不決，默然不應。
範增召項莊舞劍為酒宴助興，趁機殺掉劉邦，項伯為保護劉邦，也拔劍起舞，掩護了劉邦，沒有成功。
這就是成語“項莊舞劍，意在沛公”的由來。後來劉邦借故離開，回到了大營。
鴻門宴之後，項羽便領兵西進，項籍入鹹陽，燒阿房宮、殺秦王子嬰。
又分封各路將軍為王，劉邦被封為漢王，領地是巴、蜀和漢中共四十一縣，國都為南鄭（今陝西南鄭）。
並封秦降將章邯、司馬欣、董翳（意）為雍王、塞王、翟王，領關中地，以扼製劉邦。