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(今葉縣南)，想引誘項羽南下。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(今江蘇邳縣南)。項羽被迫率軍回救，劉邦乘機收複成皋。六月，項羽以淩厲攻勢拔滎陽，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(今河南商丘南)、外黃等地，再次迫使項羽回救。四年十月，劉邦用計再次收複成皋。
項羽在擊敗彭越後，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。項羽腹背受敵，兵疲糧盡，遂與漢訂盟，以鴻溝為界，中分天下，東歸楚，西歸漢。九月，項羽引兵東歸。
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。五年十月，兩軍戰於固陵(今淮陽西北)，項羽小勝。劉邦以封賞籠絡韓信、彭越、黥布等，垓下一戰重創楚軍，逼項羽自刎於烏江(今安徽和縣境)，終於結束了為期四年的楚漢戰爭。
九裏山之圍
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五年十二月，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。韓信揮軍進攻，首戰失利，前軍被項羽率楚軍騎士擊敗，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，漢軍亦傷亡十幾萬。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，項羽率800人突圍逃至東城自剄而死。劉邦於是還至定陶，馳入韓信軍中，收奪了他的兵權，後改封韓信為楚王，都下邳(今江蘇邳縣東)。
稱帝建漢遷都長安
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在公元前202年的正月，劉邦兌現了先前的諾言，封韓信為楚王，彭越為越王。受封的韓信和彭越聯合原來的燕王臧荼、趙王張敖以及長沙王吳芮共同上書劉邦，請他即位稱帝。劉邦開始假意推辭，韓信他們說：“大王雖然出身貧寒，但能率領眾人掃滅暴秦，誅殺不義，安定天下，功勞超過諸王，您稱帝是眾望所歸。”劉邦順水推舟地說：“既然你們大家都這樣看，覺得有利於天下吏民，那就按你們說的辦吧。”
公元前202年二月初三，劉邦在山東定陶汜水之陽舉行登極大典，定國號為漢。
即位的同年五月，劉邦在洛陽的南宮開慶功宴，宴席上，他總結了自己取勝的原因：“論運籌帷幄之中，決勝於千裏之外，我不如張良；論撫慰百姓供應糧草，我又不如蕭何；論領兵百萬，決戰沙場，百戰百勝，我不如韓信。可是，我能做到知人善用，發揮他們的才幹，這才是我們取勝的真正原因。至於項羽，他隻有範增一個人可用，但又對他猜疑，這是他最後失敗的原因。”劉邦的總結確實說對了，戰爭的勝敗，人的因素總是最重要的。
後來，劉邦遷都長安是因為一個叫婁敬的士卒的提醒，婁敬從山東趕來見劉邦，說劉邦得天下和先前的周朝不一樣，所以不應該像周朝那樣以洛陽為都城，應該到關中定都，這樣便可以在秦地固守險地，國家才能長治久安。張良同意婁敬的建議，他說關中是“金城千裏，天府之國”，退可守，攻可出。劉邦聽了表示同意，於是很快將都城遷到了長安。
在位政績
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【鞏固皇權的措施】
劉邦雖然做了皇帝，但他也沒有敢對自己的皇位掉以輕心。他在設盛宴招待英布等大臣時，曾經對在場的父親誇耀說：“原先您老經常說我是個不幹活不讀書的無賴，沒有二哥能理家治業。如今我做了皇帝，您看現在是二哥的財富多，還是我的財富多呢？”不過在享受的同時他也采取措施對皇權進行了鞏固。
第一個讓他不放心的就是在各地的異姓王。他們都有兵將，有的還有三心二意。第二個問題就是其他將領，為功勞大小和賞賜的多少爭鬥不止，如果安撫不當，就會投奔那些異姓王作亂。還有原先六國的後代也不能掉以輕心。在中央，丞相的權力對他這個皇帝也構成了威脅。劉邦從做了皇帝，到最後病死，中間有八年時間，基本上都用在了解決這些讓他不放心的問題。
他先收拾的是韓信。在公元前201年，即高祖六年，有人告發韓信謀反。劉邦問怎麼辦，大家說發兵討伐。但陳平卻反對，他說楚國兵精糧足，韓信又善於用兵，發兵很難取勝。他建議劉邦以巡遊雲夢為借口，讓各諸侯王都到陳縣（現在河南淮陽），到那時韓信一定會來，然後再抓他問罪。劉邦依計行事，果然將韓信抓住了。韓信聽到對他的指控，大聲喊冤：“古人說的果然不錯：‘狡兔死，走狗烹；飛鳥盡，良弓藏；敵國破，謀臣亡。’現在天下已經平定，我這樣的人也早就該烹殺了。”劉邦將韓信押到了洛陽，但又沒有明確的證據，便釋放了他，但降成了淮陰侯。這使韓信懷恨在心。
第二年，韓信謀劃讓陳豨在外地反叛，使劉邦親自前去平叛，然後自己在都城襲擊太子和呂後。但還是事情敗露。呂後采用了蕭何的主意，將韓信誘騙入宮抓捕，最後在長樂宮斬首，留下一個“成也蕭何，敗也蕭何”的成語。
除了韓信，其他諸侯王如彭越等人也被消滅，隻剩下了長沙王吳芮。
對於其他將領，劉邦也頗費心機。開始，劉邦先是分封了蕭何等二十餘人官職，但眾將領因為互不服氣，爭功不止，劉邦就沒有封官。一次，在洛陽南宮，劉邦看見眾將坐在沙地上不知在說什麼，問身邊的張良怎麼回事，張良說他們在謀反。劉邦問為什麼，張良說怕他以後不會封他們高官。劉邦又問怎麼辦，張良就問他最恨的人是誰，劉邦說是雍齒，因為他雖然功勞多，但太張狂，自己曾經想將他殺掉。張良聽了就讓他封雍齒為侯，這樣，大家就覺得被劉邦記恨的雍齒都能受封，他們就更不用著急了。於是，劉邦大擺慶功宴，封雍齒為什方侯，還當場命丞相和禦史抓緊時間草擬論功行賞分封的名單。張良的計策果然奏效，眾將的心都安定了。
對於六國的後裔，劉邦則將他們和地方的名門望族共十幾萬人全部遷到關中居住，置於中央控製之下，消除了後顧之憂。
關於丞相的過大權力，劉邦通過把蕭何下獄來打擊削弱相權。在劉邦平定了黥布叛亂回到長安後，蕭何提議把上林苑開放，讓百姓去耕種，因為上林苑基本上已經荒蕪，並不是養獸供皇帝狩獵的地方。劉邦一聽就惱了，硬說蕭何拿了商人的賄賂，所以才替他們說話，借百姓之名為商人牟利。劉邦將蕭何關進了監獄，幾天後，有大臣問丞相犯了什麼罪，劉邦卻為自己狡辯說：“原先李斯做秦國的丞相，凡是功勞都歸始皇，不好的事都由自己承擔。但現在丞相蕭何卻接受了商人的賄賂，替他們求我開放上林苑，刁買人心。因此要治他的罪。”通過打擊元老功臣蕭何，劉邦在削弱相權的同時將皇帝的權力提高了。
在鞏固強化皇權方麵，劉邦也是想盡了辦法，一是通過尊父親太公為太上皇，二是通過對季布和丁公的處理。這兩件事最終達到了他的目的。
在經曆了春秋和戰國長期的混亂之後，又經曆了短期的秦朝統治，再加上秦末戰爭，這使得人們心中沒有忠君的觀念，還保持著戰國以來就形成的“士無常君，國無定臣”的思想，這不利於皇權的鞏固。劉邦通過尊重父親來教育大臣和百姓遵循禮法，尊重長輩，效忠君主。
劉邦和父親太公在一起住，為了向大家表示他孝順，每五天就去拜見一次。太公覺得沒什麼，也習慣了。但太公的屬官卻覺得不合適，就勸他說：“俗話說，天無二日，地無二主，當今皇帝是您的兒子，但他也是人主。您雖是他的父親，但也是他的大臣。讓他這個主人拜見您這個大臣，不合禮儀。況且這樣也顯不出皇帝的威嚴。”
等劉邦再拜見父親時，太公就提前拿著掃帚出門相迎，然後倒退著進屋，不給劉邦行禮的機會。劉邦很吃驚，跳下車去攙扶父親，太公趕忙說：“皇帝貴為人主，不能因為我一個人破壞了國家的禮法。”劉邦便下詔書，尊太公為太上皇，這樣一舉兩得，不但明示了皇帝的尊嚴，他也可以順理成章地拜見父親了。
第二件事是對同母異父兄弟季布和丁公的處理。在劉邦和項羽爭天下時，他們兩都是項羽手下的大將。季布領兵幾次將劉邦打敗，丁公也領兵追擊過劉邦，但最後放過了他。劉邦做皇帝後，記恨季布打敗過自己，就把他抓了起來。但想到自己也需要他這樣的忠臣來輔佐，就不再記仇，不但放了他，還封為郎中。丁公聽說了，就覺得連季布這樣給過劉邦難堪的人都能釋放做官，他這個曾對劉邦有恩的人就更不用說了。沒想到，卻被劉邦抓起來。劉邦對眾人說：“丁公做項羽的將領時不忠，就是他這種人使項王喪失了天下。”劉邦下令處死了丁公，還在軍中示眾，警示大家要做忠臣，不要學丁公。