漢王劉邦在蕭何的輔佐下經略漢中，厲兵秣馬，逐步強大起來，東征的內部條件已經具備，隻待外部時機成熟。恰巧，齊將田榮因霸王沒有封賞他，非常不滿，公然起兵造反，項羽忙著前去征伐，曆史又一次把機會送到了劉邦麵前。
公元前206年，漢王劉邦派大將軍韓信出兵東征。韓信於是製訂了詳細的東征計劃，第一步是先奪取關中，打開東進的大門，建立興漢滅楚的根據地。韓信首先命令樊噲、周勃帶領1萬人開始修築棧道，而且要在3個月內完工，擺出要從原路殺回的架勢。樊噲和周勃是兩員猛將，又是漢王的嫡係，他們迅速行動。大家都知道棧道修不好，大軍就出不去。燒毀的棧道有300多裏，高低起伏，地勢險要，有的地方盤旋彎曲，有的地方上懸峭壁，下臨深淵。十幾天過去了，1萬多人費了好大勁，摔死幾十人，摔傷的更多，才修好很短一段。限期太緊，糧食又不夠用，士兵紛紛抱怨。樊噲看著心煩：“這麼大的工程，就是10萬壯丁，修它1年也未必能修完。這就給1萬人，才3個月時間，就是打死我也修不完。”士兵一看主帥這樣，就更加消極怠工了。還有人私下說：“早知道這樣，當初燒它幹嗎？”上上下下怨氣衝天，互相埋怨。
很快，漢王下達命令：“樊噲、周勃口出怨言，消極怠工，給予撤職處分，調回不用。”同時新派來三五個工頭，又押來1000名民夫幫助修築。新工頭非常賣力，天天督促士兵和民夫，速度確實快了起來。
漢王派樊噲等修築棧道，早已興師動眾，轟動整個漢中。關中守軍聞訊，密切注視修複棧道的進展情況，並派主力部隊在這條路線、各個關口要塞加緊防範，阻攔漢軍進攻。韓信“明修棧道”的行動吸引了敵軍的注意力，同時把敵軍的主力都引誘到了棧道一線。
關中堵塞劉邦的第一道關口，是原秦國名將雍王章邯。章邯和劉邦接觸不多，他一向看不起非正統的將領，因此一直未對劉邦做太多的防範。章邯深知秦國百姓非常痛恨他，那麼多秦兵都喪命了，作為將領的他卻還在，想起來就心生愧疚。為此，章邯對自己目前的現狀非常憎恨，處事變得消極、頹廢，早已失去了當年的名將風範。
此時，漢中傳來情報：“劉邦拜韓信為大將，派人修築棧道，有準備進攻關中的跡象。”章邯聽到了這個消息，不禁笑道：“棧道是你們自己燒毀的！自己斷絕了出路，現在又來修複，這麼大的工程，隻派那麼少的士兵，何時才能完成。想出來嗎？我慢慢等著。”因此，章邯對於劉邦和韓信的這一行動，根本沒有引起足夠重視。又聽說劉邦拜曾受胯下之辱的韓信為大將，心裏更加深了對劉邦及漢軍的蔑視。
燒毀的棧道要重建，的確沒有那麼簡單，可是韓信從未想過要由棧道進攻關中，《孫子兵法》詭道十四法雲：“近而示之遠，遠而示之近……”韓信想的是出其不意、攻其不備的方法。於是，韓信在山中尋訪獵戶，他要尋找通往關中的小路。功夫不負有心人，果然被他打聽到了，而且找到了獵戶做向導。劉邦得知後，一掌擊在案上：“太好了！能走就好！”劉邦大喜過望，毫不掩飾自己的興奮。
劉邦馬上找來蕭何，和韓信三人一起商議，製訂了詳盡的計劃：大隊人馬不走棧道，從故道（今陝西省西鳳縣西北）潛出，直撲陳倉。計劃隻秘密地告訴了夏侯嬰、曹參、周勃、樊噲、盧綰等幾個心腹，再三囑咐他們保守機密，馬上分頭行動。留下蕭何守住川地，征稅收糧，接濟軍餉。樊噲等人這才知道讓他們修複棧道的用意。韓信這個計策，當初張良建議燒毀棧道的時候就曾向劉邦說過，劉邦見他們兩人先後所定的計策竟然完全一樣，高興地說：“英雄所見，畢竟略同！”
漢高帝元年（前206年）八月，漢軍的主力在劉邦和韓信的帶領下，離開南鄭，樊噲前隊開路，出褒中，跟隨獵戶，沿著古時的一條山路向西北挺進。四川山高林密，許多地方根本就沒有路。獵戶帶領士兵，在前麵用鋒利的砍刀開出一條路，大隊人馬前進非常困難。進入林中，抬頭不見天日；出了森林，崎嶇狹窄的山路旁就是深不見底的懸崖。一不小心跌下去就會粉身碎骨。這是一條幾乎無人走過的山路，漢軍有在深山老林中迷路的，有跌下懸崖的，但是損傷不大。
在雍王京城廢丘的西方，有個地方叫寶雞，由於渭水流經這裏，使寶雞成了黃土高原中少見的叢林區。渭水由隴西流往寶雞，自然形成一個通道。渭水下遊便是鹹陽，基於運輸上的方便，秦皇室在此建了一個官倉，用以儲藏糧食，稱為“陳倉”。秦軍為保護陳倉糧食的安全，便在這裏建立一個小關卡。這個關卡腹地小，容不下太多守軍，而且山路崎嶇，軍隊也無法駐紮，隻有情況緊急時才派大軍前來救援，平時根本沒有幾個守軍，這點對進攻的一方極為有利。而在秦嶺山脈中，唯一能容下大軍經過的，便是這條渭河形成的天然通道，這裏地勢隱蔽，暗渡時很難被發現。
韓信所選擇的便是這條道路，陳倉關口小，易守難攻，所以必須采取突擊戰術。於是韓信命人公開修築棧道，裝作要從棧道出擊的姿態，將關中守軍注意力吸引到棧道上。實際上卻和劉邦統率主力部隊，神不知鬼不覺地渡過渭水河，以迅雷不及掩耳之勢，直撲陳倉（今陝西省寶雞市）。
陳倉遭到漢軍的突然襲擊，雍王章邯接到緊急報告，說劉邦的大軍已攻入關中，陳倉被占，守將被殺。章邯起初還不相信，以為是謠言，等到證實的時候，方知中計，這才感到事態嚴重，章邯率軍迅速趕來救援陳倉。然後派人向司馬欣、董翳求援，塞、翟兩王也做出了支援雍軍的相應準備。
漢雍兩軍在陳倉附近展開交戰，漢軍樊噲率部猛衝，如出山猛虎般勇不可擋，殺得章邯節節敗退。章邯軍首戰即告失利，於是兵分兩路，分別向廢丘和好畤方麵撤退。
韓信判斷，往廢丘撤退的是雍王章邯所率領的雍軍主力，退往好畤的為雍將章平指揮的部分人馬。於是派曹參率軍追擊章平，於好畤城南發生戰鬥，章平戰敗，退守好畤城等待援軍。廢丘是雍國都城，章邯久經沙場，深懂兵法，苦心經營，不容易迅速攻破，若持續時間長了對軍心士氣不利。好畤是廢丘側翼，兩地互為掎角之勢，相互支援。章平雖然也是能征慣戰之將，但兵力相對薄弱，如果能先攻克好畤，廢丘就會變得孤立。於是漢軍決定首先進攻好畤，同時派出一部分兵力，警戒偵查援軍情況，漢軍隨即圍攻好畤城。
三秦軍司馬欣派手下將軍趙賁率大軍火速救援廢丘，董翳軍也向涇水地區急馳。章邯得到援軍後，沿渭水西進，與漢軍在壤鄉（今陝西武功東南）附近展開激戰，三秦軍大敗，章邯隻得率敗軍再次退守廢丘。曹參留周勃軍圍攻好畤，自己率部迎擊塞、翟軍，擊破三秦軍後，馬上轉回繼續圍攻好畤。此時樊噲也率軍挺進到好畤，與曹參、周勃會合。
不久，韓信趕來，統一指揮對好畤的圍攻戰。樊噲率部衝鋒在前，漢軍各部猛烈攻城。章平難以抵抗，被迫撤出好畤，向北地方麵撤退，漢軍隨即占領好畤城。韓信讓樊噲率部繼續圍攻廢丘，命令曹參、周勃、灌嬰去攻取鹹陽，卡住章邯東逃的退路。雍軍駐鹹陽的趙賁和內史保等部迅速應戰，曹參部英勇作戰一舉攻占鹹陽，進駐到景陵。
支援廢丘的塞王司馬欣派主力反攻景陵，經過激戰，被漢軍擊破。章平等率軍向漆敗退，曹參揮師追擊。此時章平軍得到章邯及翟王所派軍隊的支援，於漆地反擊曹參軍，曹參軍力不能支，危急關頭，周勃率援軍趕到。周勃軍北攻漆地，擊破章平、姚印部，西定汧隴，還軍攻克郿和頻陽後，即率軍參加對廢丘城的圍攻戰。
與此同時，灌嬰軍大舉進攻塞國首都櫟陽。塞王司馬欣主力援雍失敗後，缺乏備戰措施，無力應戰，隻得向漢軍投降。其他漢軍各部也是捷報頻傳，靳歙軍擊破隴西方麵雍軍，平定隴西所屬各縣。酈商軍擊破雍軍別將周類據守的烏氏、栒邑、泥陽，進而平定北地郡所屬各縣，在攻克北地時，俘獲了雍軍大將章平。漢軍繼續向北深入，大軍深入到上郡（郡治膚施縣，今陝西榆林東南魚河堡附近），翟王董翳無力抵抗，向漢軍投降。
雍王章邯退守廢丘，奮力作戰，漢軍久攻不下。此時漢軍在關中取得了一係列勝利，形勢逼迫漢王劉邦必須迅速向東推進，以奪取更大的勝利。但雍國首都又不能不留下強大的軍隊繼續圍攻，於是，劉邦迅速調整了軍隊部署：由韓信率部繼續擔任對廢丘的圍攻，劉邦自己統率部分兵力出關擴大勝利成果。不想，劉邦東進大軍遇到重大挫折，幾乎全軍覆沒，漢王劉邦隻好回到新占領的塞國都城櫟陽。
此時廢丘城仍然在章邯手中，城門緊閉，吊橋高懸。劉邦急於迅速結束這裏的戰事，可是廢丘城麵臨渭水，防守嚴密，易守難攻。章邯的雍軍又相當頑強，不采取特殊措施很難攻克。韓信仔細察看蕭何提供的地圖，決定智取。於是采用引渭水灌城，乘水攻城的戰術，命令樊噲到渭水下遊截流，水不下泄，很快猛漲，如萬馬奔騰，湧進廢丘城。章邯見勢不妙，急忙率兵從北門突圍。韓信再命令樊噲放水，漢軍乘勢打入廢丘。章邯丟了城池，前無去路，後有追兵，隻有拚死一戰，結果慘敗。他自知無法脫險，便在絕望中拔劍自刎，廢丘殘軍隨即投降。
雍王章邯自殺，塞王司馬欣、翟王董翳兵敗投降，至此，霸王項羽分封的關中三王全部瓦解，其用三秦之王攔截漢王劉邦的意圖宣告失敗。漢軍攻占關中大部，基本實現了還定三秦的戰略目標。
秦國父老對劉邦非常推崇，一見劉邦回來非常高興，因此漢軍雖然不多，卻很快占領了龐大的關中平原。初露鋒芒的韓信，出奇製勝奪取了三秦，打開了漢軍東進的大門，為劉邦建立了一塊興漢滅楚的可靠根據地。蕭何將其規劃成三個郡，納入漢軍的管轄內。劉邦終於得償夙願，成為關中之王，此時離他被迫帶軍進入漢中，隻有4個月的時間。
漢王劉邦還定三秦，不過是實現他東向爭奪天下的第一個戰略目標。三秦平定後，漢王抓緊時間安定關中，把關中作為他同項羽爭奪天下的可靠後方，將關中建設成為擊敗項羽的鞏固根據地。為此，漢王劉邦、丞相蕭何做了大量的工作。
這時幾經戰事，關中地區已經殘破不堪，秦朝繁華一時的都城被項羽放火燒了整整三個月，已成為一片瓦礫，於是劉邦隻得把都城遷徙到櫟陽（今陝西富平縣東南）。
劉邦重新進入關中之後，蕭何作為丞相采取一係列及時的政策和措施，協助劉邦收拾關中的殘破局麵。一方麵是重新建立潰散的封建統治秩序；另一方麵是大施恩惠，拉攏人心。屬於前一方麵的措施有申明法令，廢除秦朝社稷，立漢社稷，修治宮室、縣邑城池等。屬於後一方麵的措施有開放原來秦朝皇室的皇家苑囿園池，允許老百姓耕種，賜民爵，減免租稅等發展農業生產的措施。同時又讓老百姓自己推舉年齡在50歲以上的，有德行，能作表率的人，任命為三老，佐助縣令，教化民眾。三老可免去本人的徭役，每年年終還賜予他們好酒好肉。這些措施對於恢複和發展關中地區的社會經濟起到了巨大的推動作用，同時從上至下建立起的一整套封建統治機構，保證了劉邦集團在關中的穩固統治，為其以後出關奠定了政治、經濟基礎。
漢王劉邦還定三秦，兵出函穀關，慢慢擴張自己的勢力，向中原挺進。先是占領山西，不久攻占河北，隨後擴張到了河南，收服了魏王和河南王，韓王、殷王也相繼投降。漢軍勢力範圍不斷擴大，糧草充足，士兵增多，實力大增，在百姓心中的地位也得到了鞏固。劉邦給自己出師中原取了個漂亮的名字，叫“撫關外父老”，意思就是慰問關外民眾。
當時在中原地區的列國共有3個，即河南國、韓國、殷國，此外還有河東的西魏。河南王申陽本來是張耳的嬖臣。張耳在巨鹿之戰中和陳餘之間產生了矛盾，後來張耳收取陳餘兵權，二人反目成仇。陳餘獨自與軍中最要好的數百人漁獵於河上澤中。霸王項羽因張耳同各路諸侯入關，又念其扶趙抗秦之功，乃分趙地北部，立張耳為常山王，並將信都改名為襄國（今邢台市），定為常山王的都城。霸王因為陳餘沒和他一起入關，又聽說他在南皮，就隻封南皮旁3個縣給他。陳餘大怒：“張耳與餘功等也，今張耳王，餘獨侯，此項羽不平。”便聯合齊王出兵襲擊襄國。張耳這時兵微將少，不能抵抗，在無可奈何的情況下，逃出襄國，投奔到劉邦部下，漢王以優厚的待遇接納了他。
河南王申陽原籍在山東兗州一帶，在洛陽沒有群眾基礎。此刻看漢軍來勢凶猛，張耳已經投靠了漢王，他也就很識時務地投降了漢王。劉邦取消了他的河南王封號，將河南國改製為直屬漢國的河南郡。
陳餘打敗張耳以後，全部收複了趙國的土地，把趙王從代縣接回來，繼續做趙國的國君，趙王對陳餘感恩戴德，分封他為代王。陳餘因為趙王軟弱，國內局勢剛剛穩定，就留下來輔佐趙王，而派夏說以國相的身份駐守代國。漢高帝二年（前205年），漢王向東進攻楚國，派使者通知趙國，要和趙國共同伐楚。陳餘說：“隻要漢王殺掉張耳，趙國就從命。”於是漢王找到一個和張耳長得相像的人斬首，派人拿著人頭送給陳餘，陳餘才發兵助漢。漢王在彭城以西打了敗仗，陳餘又覺察到張耳沒死，就背叛了漢王。
對付韓國，劉邦采取了另一種方式。原來霸王不讓韓王成去封地，就把他帶到彭城，之後又以他沒有功績為借口，降為侯。韓王成不識時務，大發牢騷。霸王嫌他不識好歹，就把韓王成殺死。在霸王看來，殺一個韓王成沒有什麼了不起，可是韓相張良卻視韓王成為生命，事發後哭得死去活來，發誓為他報仇，於是逃到漢王那裏，從此全力輔佐漢王。項羽殺了韓王成，另派鄭昌來做韓王。鄭昌原來是秦始皇朝廷的吳縣縣令，項梁殺了人之後，避難吳中，全靠他一手遮天進行庇護，項羽為了報答他，就讓他頂替了韓王成的位置。
漢王劉邦手下有一個人也叫韓信，是戰國時期韓襄王的後代，在韓人眼裏是正統的王室後代，具有一定的號召力，此人文武雙全。漢王於是拜韓庶子信（以示和大將韓信相區別）為太尉（官名，專管軍事，地位相當於丞相），派酈商等幾個將軍幫他收複韓地。漢王許諾：“隻要你打下韓國，就封你為韓王。”韓庶子信和幾個大將不負眾望，打敗霸王所封的韓王鄭昌。劉邦於是正式封韓庶子信為韓王，沒讓他留在城陽做安樂王，而是讓他帶著軍隊，跟隨自己繼續出征。原韓王鄭昌投降漢王之後，反倒做了韓王信的手下。
接下來，劉邦又想打魏國的主意，於是和大將軍韓信商議：“我軍要渡過黃河撫慰魏國，你看如何？”韓信說：“此時黃河水漲，我們找大渡船過河就是。”“魏王豹不會阻擋嗎？”劉邦擔心地問。“魏王豹不服霸王，隻是攝於霸王的淫威，如今我們過河，他肯定不會幹涉，一定會順水推舟。”韓信自信地說。漢王劉邦於是命人尋找船隻，軍士們隻用了3天時間就聚集大小渡船300餘隻。韓信分析得一點兒沒錯，漢軍渡河十分順利，魏王豹的軍隊遠遠地看著漢軍大舉渡過黃河，並不出來幹涉，漢軍從始至終沒有受到任何阻攔。劉邦馬上寫了一封書信勸降魏王豹，魏王豹開始假意推辭，不久便半推半就地同意了。魏王不戰而降，劉邦很高興，下令其爵祿封土不變，隨後命令他帶著軍隊隨自己出征，一起去撫慰建都朝歌的殷國。後來，魏王豹之薄姬被劉邦冊封為姬，這位薄姬為劉邦生下一子，就是漢文帝劉恒。
殷王司馬昂居守河內，聽說韓信帶兵入境，倉促間發兵迎敵，損兵折將，敗回朝歌。朝歌原來是商紂王的都城，一向城牆堅固，漢將樊噲等一直逼到城下，司馬昂一麵派人飛馬報告項王，乞求援兵，一麵負隅頑抗。
霸王一聽河內吃緊，韓信的兵馬圍住了朝歌，就派項莊和季布前去救援。司馬昂得到回信，精神為之一振，忽然發現漢兵逐漸撤圍，一天一夜竟然全部撤去。他想漢兵無故退去，肯定是聽說霸王親自到來感到害怕，於是就毫不猶豫地開城追趕。司馬昂貪功心切，一直追了五六十裏，天色將晚，才吩咐收兵，卻不料中了埋伏，兩員漢將周勃和灌嬰從林中殺出，帶領精兵直撲司馬昂。司馬昂不敢戀戰，便往後退，手下人棄甲拋戈，隨主將一起逃跑。司馬昂策馬逃竄，好不容易跑回朝歌城下，卻被吊橋上漢軍先鋒樊噲攔住去路。司馬昂後有追兵，前有猛將，隻好硬著頭皮回身交戰，結果被樊噲生擒活捉。
韓信用兵神出鬼沒，他料定司馬昂敗回城中，一定向項王求援，倘若援兵到來裏應外合，情況就會很危險。所以就用誘敵深入的計謀，假裝撤出包圍，讓樊噲後退埋伏在城牆附近，讓周勃、灌嬰埋伏在樹林中，專門引誘司馬昂來追，屆時前後截殺，定能大獲全勝。果然司馬昂貪功中計，被樊噲活捉，投降了漢王。於是漢王帶領將士，和司馬昂一起進城，城中軍民一見殷王司馬昂歸順漢王，自然全體投誠。漢王廢掉殷王司馬昂的王號，置其地為河內郡。
漢王又派遣酈商等去攻打上郡北地，獲得了勝利。再派大將韓信帶兵前往南陽，和王陵一起，東入豐沛，迎接漢王家眷入關。王陵是沛縣的豪傑，劉邦一直以兄長之禮待他。後來陳勝、吳廣起義，天下豪傑並起，王陵也糾集數千人，長期獨立活動於南陽一帶。劉邦起兵西進路過南陽時，派人去招降，王陵不甘心居漢王之下，就找借口推辭。這次漢王又來邀請王陵，王陵聽說漢王已經占領了三秦，聲威遠著，這才打定主意歸漢。恰好他老母也在沛縣，正好乘此機會接來，於是合兵一起東行。到了陽夏，被楚兵攔住不能前進，隻好暫時停駐，派人報告漢王。
項羽把王陵的母親抓到軍中，王陵得知後派使者前來，項羽便讓她向東而坐，想來招降王陵。王陵母親暗中送使者，哭道：“希望替老婦告訴王陵，好好侍奉漢王，漢王是仁厚長者，不要因為老婦而有二心。我用死來為您送行。”便伏劍而死。項王大怒，烹殺了王陵的母親。王陵深恨項羽，一直跟隨漢王平定天下。