同時削減劉邦軍隊至三萬人。項羽自己稱為西楚霸王，掌握軍隊最高統帥權。楚懷王熊心被尊為義帝。後來把義帝遷到別的地方給殺了。
漢元年二月，諸侯罷戲下，各回國。劉邦隻好忍氣吞聲接受封號，於四月領兵入漢中、並燒毀棧道（用木板架在懸崖上鋪成的道路），表示再也無意出兵，以麻痹項籍。
11月，劉邦揮軍東出，拜韓信為大將，明修棧道，暗渡陳倉，名為義帝發喪，派人聯絡諸侯，公開聲討項籍，拉開了4年楚漢戰爭的序幕。
很快，在漢元年五、六月份，齊國貴族後裔田榮不滿分封，趕走齊王，殺膠東王，自立為齊王。
劉邦乘亂重返關中，擊敗章邯，迫降司馬欣、董翳，並用計欺騙項籍，使其相信自己取得關中後已心滿意足，再也不會東進了。項籍放心去攻打田榮，對西邊沒有加強防範。
項羽則最終陷入齊地泥潭無法抽身。這樣給了劉邦絕佳的機會。
公元前205年5月，劉邦乘項籍在齊國停留的機會，率領諸侯聯軍56萬一舉攻占彭城。短暫的勝利是劉邦失去理智，天天與諸侯們喝酒慶祝。
項羽聞之，急率輕騎兵3萬奔襲，聯軍被殺十萬，溺水淹死十萬，劉邦僅率數十騎逃脫，反楚聯盟瓦解。
韓信同年6月，劉邦到達滎陽，一路收集敗兵，並派韓信於蕭索之間擊敗了楚追兵，得以喘息，穩住了陣腳，遂重整軍隊，依托關中基地和有利地勢與項羽長期抗爭。
7月，一直負隅頑抗的章邯終於兵敗自殺，劉邦解除了後顧之憂；且在逃往滎陽前便派人說服英布反楚，聯絡彭越擾楚後方；派韓信開辟北方戰場，攻魏俘魏王豹，破代，滅趙殺陳餘。
公元前205年冬，項羽發動反攻，圍困滎陽，形勢十分危急。劉邦用陳平反間計，使項羽懷疑範增，不用其謀，迫使範增怒而歸鄉。劉邦又派紀信裝扮成自己去楚軍詐降，乘機逃出滎陽。
項籍加緊圍攻滎陽，並奪取成皋。為了減輕楚軍對滎陽的壓力，劉邦率軍經武關、宛（今河南南陽）、葉，想引誘項籍南下。為配合漢軍行動，此時韓信也率軍到達黃河北岸，聲援滎陽。
彭越正在進攻下邳。項籍被迫率軍回救，劉邦乘機收複成皋。公元前204年7月，項籍以淩厲攻勢拔滎陽，再奪成皋。
劉邦一麵命漢軍在鞏縣一帶堅守，阻擊楚軍前進，一麵命韓信組建新軍擊齊，派人入楚腹地協助彭越進攻雎陽、外黃等地，再次迫使項羽回救。
公元前204年11月，劉邦用計再次收複成皋，斬殺了項羽大將曹咎。
項籍在擊敗彭越後，尋漢軍主力決戰不成，屯兵廣武（今滎陽北）與劉邦形成對峙。
不久，韓信在濰水之戰中殲滅齊楚聯軍，完成對楚側翼的戰略迂回，又派灌嬰率軍一部直奔彭城。項籍腹背受敵，兵疲糧盡，遂與漢訂盟，以鴻溝為界，中分天下，東歸楚，西歸漢。
公元前203年10月，項籍引兵東歸。楚、漢訂盟後，劉邦本想退兵，在張良、陳平提醒下，下令全力追擊楚軍。公元前203年11月，兩軍戰於固陵，項羽小勝。
公元前202年1月，劉邦以封賞籠絡韓信、彭越、黥布等，垓下一戰重創楚軍。公元前202年1月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等各路漢軍約計70萬人與10萬久戰疲勞的楚軍於垓下）展開決戰。
漢軍以韓信率軍居中，將軍孔熙為左翼、陳賀為右翼，劉邦率部跟進，將軍周勃斷後。
成皋之戰韓信揮軍進攻，采用誘敵深入戰術，前軍先詐敗，信引兵後退，命左、右翼軍包抄攻擊楚軍後部步軍。
楚軍久戰疲勞後軍迎戰不利，漢軍將楚後軍與項羽前軍騎士分割兩半，韓信再指揮全軍反擊，楚軍大敗，陣亡四萬餘，被俘兩萬，被打散兩萬，僅剩不到兩萬傷兵隨項羽退回陣中。
後楚軍退入壁壘堅守，被漢軍重重包圍。楚軍兵疲食盡。韓信命漢軍士卒夜唱楚歌，歌雲：“人心都向楚，天下已屬劉；韓信屯垓下，要斬霸王頭！”。
致使楚軍士卒思鄉厭戰，軍心瓦解，項羽隻有率800人突圍至烏江（今安徽省和縣境），這時項羽身邊隻剩下28騎了，一亭長願帶項羽逃至江東重振霸業，遭項羽拒絕。
項羽帶著28騎大戰漢軍，最後全軍覆沒，項羽不願被俘受辱，於是在烏江自剄而死。
秦子嬰元年（前207）冬，沛公劉邦軍灞上，秦王子嬰跪捧玉璽獻於鹹陽道左，秦亡。