漢王元年 (公元前 206年)十月，劉邦滅秦后在關中稱王。十二月，項羽揮軍破函谷關，想消滅劉邦軍。劉邦自知不敵，親赴鴻門(今陜西臨潼東北)謝罪。不久，項羽入咸陽。春，項羽表面上尊楚懷王為義帝，實際卻將其發配到了江南，自立為西楚霸王，都彭城(今江蘇徐州)，同時分封18諸侯，封劉邦為漢王，領巴蜀及漢中地，并故意封秦降將章邯、司馬欣、董翳(意)為雍王、塞王、翟王，領關中地，以扼制劉邦。劉邦只好忍氣吞聲接受封號，于四月領兵入漢中、并燒毀棧道(用木板架在懸崖上鋪成的道路)，表示再也無意出兵，以麻痹項羽。項羽亦率軍東歸。五、六月，齊國貴族后裔田榮不滿分封，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，并用計欺騙項羽，使其相信自己取得關中后已心滿意足，再也不會東進了。項羽放心去攻打田榮，對西邊沒有加強防范。十月，劉邦揮軍東出，拜韓信為大將，明修棧道，暗渡陳倉(今陜西寶雞市東) ，名為義帝發喪，派人聯絡諸侯，公開聲討項羽，拉開了楚漢戰爭的序幕。

初戰彭城：四月，劉邦乘項羽在齊國停留的機會，率領諸侯軍一舉攻占彭城。項羽聞之，急率精兵3萬奔襲，殲聯軍20余萬，劉邦僅率數十騎逃脫，反楚聯盟瓦解。

爭奪成皋：五月，劉邦到達滎陽，擊敗了楚追兵，得以端息，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。六月，劉邦派兵攻廢丘，迫章邯自殺，解除了后顧之憂;派人說服黥布反楚，聯絡彭越擾楚后方;派韓信開辟北方戰場，攻魏俘魏王豹，破代，滅趙殺陳余。三年冬，項羽發動反攻，圍困滎陽，形勢十分危急。

劉邦用陳平反間計，使項羽懷疑范增，不用其謀，迫使范增怒而歸鄉。劉邦又派紀信裝扮成自己去楚軍詐降，乘機逃出滎陽。項羽加緊圍攻滎陽，并奪取成皋。

為了減輕楚軍對榮陽的壓力，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，劉邦乘機收復成皋。六月，項羽以凌厲攻勢拔滎陽，再奪成皋。

劉邦一面命漢軍在鞏縣一帶堅守，阻擊楚軍前進，一面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，劉邦用計再次收復成皋。

項羽在擊敗彭越后，尋漢軍主力決戰不成，屯兵廣武(今榮陽北)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、漢訂盟后，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，兩軍戰于固陵(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，逼項羽自刎于烏江(今安徽和縣境) ，終于結束了為期四年的楚漢戰爭。