項羽大為不滿，率軍破關而人，進駐鴻門(今陝西臨漁東北)。當時項羽軍四十萬，漢高祖軍不足十萬，雙方力量懸殊。漢高祖自度力量不敵項羽，便采納張良計策，拉攏項羽叔父項伯，親自到鴻門請罪。
項羽在鴻門(今陝西臨漁附近)設宴招待漢高祖。在宴會上，項羽的謀士“亞父”範增幾次示意項羽擊殺漢高祖，但項羽因不忍而不予理會。於是，範增便讓項莊以舞劍助興為冬，想借機刺殺漢高祖。漢高祖的謀臣張良看到形勢緊迫，就出外召樊哈說:“現在項莊拔劍舞，其意常常在沛公。”於是樊噲帶劍擁盾進人宴會廳，指斥項羽不守信義，項羽被樊哈的氣勢所折服，漢高祖借機脫離險境。這就是曆史上有名的“鴻門宴”的故事。項羽依靠強大兵力，暫時壓製漢高祖。引兵進人鹹陽，“殺秦降王子嬰，燒秦宮室，火三月不滅，收其貨寶、婦女而東”(《史記·項羽本紀))。謀臣勸項羽說:“關中山河四塞險阻，土地肥美，可以作為霸王之都。”而項羽以“富貴不歸故裏，如同夜間穿錦續走路，沒有人知道”為借口加以拒絕。勸他的人感歎道:“人們說楚人是沐猴而冠，果真不假。”項羽聞聽此言，就殺了說這話的人。
項羽挾其軍事上的餘威，以諸侯上將軍自居，發號施令。他自立為西楚霸王，取梁、楚之地九郡(占有今江蘇、安徽、山東、河南部分地區)，定都彭城(今江蘇徐州)。同時又割地紂王，分封了十八個諸侯。封漢高祖為漢王，王漢中、巴蜀，企圖限製漢高祖勢力的發展，使其不得東進。結果養虎為患，導致漢軍勢力日後卷土重來。
由於項羽分封不公，引起諸侯和功臣不滿。先是田榮據齊反楚，項羽急忙率軍討伐，漢高祖便乘隙東進。公元前208年八月，漢軍從漢中潛出故道，打敗項羽所分封的秦地三王，迅速東進，直抵陽夏(今河南太康))。接著，又乘項羽與齊軍交戰之際，一舉攻入楚都彭城，羽急忙率萬精兵還救彭城。
此時，漢高祖仗恃兵多將廣，麻痹輕敵。項羽軍則收複失地心切，鬥誌旺盛。三萬楚軍在項羽率領下，出山東經胡陵(今山東魚台東南)趨蕭(今江蘇簫縣西北)，直抵彭城漢軍側背。戰鬥從拂曉開始，楚軍勇猛頑強，邊打邊衝。到了午時，已將漢軍打得大敗。楚軍追到彭城東北的灑水，漢軍紛紛落水，死者十餘萬。漢軍向南方山地潰逃，楚軍追擊至靈壁(在今安徽省)以東的唯水上，又殲滅數十萬人。漢高祖隻率數十騎逃出重圍，連妻子呂雄和父親太公都作了項羽的俘虜。彭城一戰，項羽決策果斷，迅速率精兵回救彭城，出敵不意，擊潰漢軍數十萬之眾，是戰史上以少勝多的範例。
彭城之役後，項羽乘勝進軍，在京邑、索亭間(榮陽西、南)同漢高祖打了一仗，結果被阻轉榮陽以東。雙方在成皋一帶相持兩年之久。這期間，漢高祖采取了正確的作戰指導，扼守成皋，在持久戰中消耗對方實力，伺機反擊;項羽找漢高祖決戰，又急攻不下。雙方力量對此發生了根本變化，漢軍由弱變強，項羽由強變弱。
漢高帝五年(前202年)，漢高祖發兵向項羽發動總攻，在墳下把項羽軍團團包圍。此時，十萬楚軍已兵疲糧盡，士氣低落。夜間又聽到漢軍在四麵唱起了楚歌。項羽大為吃驚，便借酒澆愁，慷慨悲涼地唱道:“力拔山兮氣蓋世，時不利兮雅不逝。雅不逝兮可奈何幹，虞兮虞兮若奈何?”唱罷飛身上馬，帶領八百騎突圍南去。來到東城(今安徽定遠東南)，隻剩28人。他想東渡烏江重整旗鼓，又覺無顏見江東父老，奮力拚殺一陣，遂橫劍自刻而死，年僅31歲。