項羽率軍進入關中，此時鹹陽已被劉邦攻克，秦王也已投降，秦朝滅亡了。項羽軍力強大，劉邦不得不暫時臣服。項羽大封諸侯，並自稱“西楚霸王”，然後率軍東歸。
劉邦也有爭天下的雄心，他被封到漢中，後趁項羽與其他諸侯混戰之機，暗渡陳倉，攻擊楚軍。從此，拉開了楚漢戰爭的序幕。
在四年的楚漢戰爭中，項羽一直占有優勢，勝多敗少。但他剛愎自用，聽不得正確的建議，致使許多得力的將領、有才幹的人紛紛投奔劉邦；且殘忍好殺，經常破地屠城，失掉了老百姓的支持；而劉邦則善待百姓，知人善任，集大家的智慧對付項羽一人之智，勝敗之勢終於逆轉。公元前202年，劉邦調集韓信、英布、彭越幾路大軍，十麵埋伏，終於在垓下將項羽圍困住。項羽帶領800騎兵突出重圍，後隻剩28騎。眼見追兵幾千人將至，他預感到難以逃脫，大勢已去，對手下人說：“我起兵八年，身經70多戰，戰無不勝，於是稱霸天下。今天被困於此，這是天意呀！但是我要在死之前，再連勝劉邦的漢軍三次，為你們突圍殺出一條血路！也讓天下人知道這是天要亡我，並不是我打不贏的罪過啊。”於是他把28個人分成四隊向四個方向衝去，項羽又經過一番惡鬥，憑著勇猛，向東退到了烏江。
烏江亭長聽說項羽兵敗，早已駕一艘船靠在江邊，等著項羽，好帶他過江。他對項羽說：“江東雖小，也有千裏土地，幾十萬人口，足夠做稱王的資本。這裏隻有我這一艘船，漢軍到了，是無法渡江的，大王快上船吧。”
項羽笑道：“天要我死，我為什麼要渡江逃命呢？”他語調隨之變得悲涼，“當年江東八千子弟跟著我出來打天下，現在卻沒有一個人活著回去……縱使江東父老可憐我而尊我為王，我還有什麼臉麵見他們呢？”這就是曆史上著名的典故“無顏見江東父老”。
項羽拒絕了烏江亭長的好意，把烏騅馬送給了他，然後徒步殺敵，身受重傷。他對漢軍大喊道：“我聽說劉邦用千金和萬戶侯來買我的人頭，我就成全你們吧！”然後自刎而死。
南宋大詞人李清照《夏日絕句》讚道：“生當做人傑，死亦為鬼雄。至今思項羽，不肯過江東。”
雖然項羽的結局是悲劇的，但他的英雄氣概卻輝映千秋，甚至超過了勝利者。