公元前206年，汉高祖元年，十月，秦王子婴向刘邦投降。秦朝政权亡。
十一月，刘邦和关中父老约法三章后，退出咸阳城，十万士卒，号称二十万，驻军霸上。
十二月，项羽率四十万大军，号称百万，驻扎于鸿门（西安市临潼区东边的鸿门堡村），范增说「沛公居山东时，贪财，好色；今入关，财物无所取，妇女无所幸，此其志不在小」，建议项羽赶紧攻打刘邦。项羽的叔叔项伯，连夜赶去通报好友张良，让他赶紧离开刘邦。张良不忍心，将情况告知了刘邦。刘邦让项伯帮忙向项羽求情，称自己入关后登记户口，封存府库，等项将军来接收，绝无背叛之心。项伯回去跟项羽说：人家有功劳而攻打他，是我们不义，不如善待他，项羽答应。
第二天，刘邦带一百多个骑兵去见项羽，称将军不要听信小人谗言而误会我。项羽说：你的左司马曹无伤说你想称王，不然我也不会这样对你。双方对饮，范增多次使眼色，项羽都不回应。于是，范增起身去叫项庄，让他舞剑助兴，趁机杀掉刘邦。项伯也拔剑起舞，以身体掩护刘邦。
张良起身到军营外跟樊哙说「今项庄拔剑舞，其意常在沛公也」，樊哙随即持剑拥盾冲了进去，说：将军听小人挑拨，想杀有功之人，这是暴秦的延续，我认为不可取。项羽无言以对。刘邦和樊哙出去如厕，趁机骑马逃去。回到军营，立即诛杀了曹无伤。
项羽入咸阳城，大肆屠戮，杀秦王子婴，「烧秦宫室，火三月不灭」。谋士韩生跟项羽说「关中阻山带河，四塞之地，地肥饶，可都以霸」，项羽见咸阳城被烧的面目全非，想回家乡去，说「富费不归故乡，如衣绣夜行，谁知之者」，韩生退出后说「人言楚人沐猴而冠耳，果然」，被项羽听到，于是将韩生烹杀。
二月，项羽自立为西楚霸王，定都彭城（今江苏徐州）。尊楚怀王为义帝，将其安置到郴县（在今湖南郴州市），名为尊，实则贬。因巴蜀道路艰险，是秦朝流放犯人的地方，故封刘邦为汉王，统治巴、蜀、汉中，定都南郑（县治在今陕西汉中市）。三分关中（后世称为三秦），让秦朝三个降将分别统治：章邯为雍王，辖咸阳以西的地方，定都废丘（县治在今咸阳市兴平市南佐村）；司马欣为塞王，辖咸阳以东至黄河，定都栎阳（县治在今西安市临潼区古城村）；董翳为翟（dí）王，辖上郡，定都高奴（县治在今陕西延安市）。项羽为了占据大梁，封魏豹为西魏王，定都平阳（县治在今山西临汾市）；封张耳为常山王，定都襄国（在今河北邢台市）；黥布为九江王，定都六（在今安徽六安市）；原齐王田巿（fú）改封为胶东王，都城为即墨（今山东青岛即墨区）；齐将田都随楚军救赵有功，被封为齐王，定都临淄（今山东淄博市临淄区）；原来的赵王赵歇被改封为代王；赵将司马卬因战功被封为殷王，定都朝歌（在今河南鹤壁市淇县）。其余随从项羽入关的诸侯皆被封王。当初，陈馀和张耳反目，负气离去，故未被封王。
刘邦心中极为不满，计划攻打项羽，萧何谏言「今众弗如，百战百败，不死何为！夫能诎于一人之下而信于万乘之上者，汤、武是也。臣愿大王王汉中，养其民以致贤人，收用巴、蜀，还定三秦，天下可图也」。刘邦认同，封萧何为丞相。
韩信，淮阴县（今江苏淮安市淮阴区）人，家境贫困，名声不好。既入不了仕途，也不会做买卖，经常到别人家蹭吃蹭喝，招人讨厌。某日，有个屠夫拦住韩信，说：别看你人高马大，还挎着宝剑，其实就是个胆小鬼。你敢拿刀*我捅**吗？不敢就从我胯下爬过去。韩信盯着对方看了半天，最终从屠夫胯下爬了过去。大家都笑话他，认为他懦弱。
韩信跟随项梁起义，后又跟随项羽，出谋划策，却不被采用，于是投靠了刘邦，也不赏识他，刘邦只让他当了个连敖（管仓库粮饷的小官），此后犯了法，论罪当斩，其他十几个同案犯都被砍头，就要砍到韩信时，滕县县令夏侯婴见他相貌不凡，替他求情，韩信才免遭一死。
萧何赏识韩信，多次向刘邦推荐，但都没被重用。见此，韩信逃离了刘邦的部队，萧何赶紧去追。不知底细的人报告刘邦，说丞相萧何跑了。刘邦心疼的如同失去了左右手一样。两天后，萧何回来，刘邦得知他是为了去追逃跑的韩信。大为不满，说将军都跑了几十个了，你追他干嘛？萧何说诸将易得，韩信天下无双，如果您只想当汉王，可以不用韩信，如果要夺取天下，那就要和韩信共谋大事。刘邦说看你面子，让他当个将军。萧何说将军的位置可留不住他。于是韩信当了上将。还斋戒、设坛、搞了个拜将仪式，震惊了全军。
韩信跟刘邦说：项羽发怒咆哮时，千百人都被慑服，但他不能任用贤能，所以不过是匹夫之勇罢了「项王喑恶叱咤，千人皆废，然不能任属贤将，此特匹夫之勇耳」；项羽对敌人狠，对自己人却很好，但对有功者不能封官授爵，自己牢牢攥着官印，磨平了棱角都不舍得授予别人，所以不过是妇人之仁「项王见人，恭敬慈爱，言语呕呕，有人疾病，涕泣分食饮；至使人，有功当封爵者， 印刓（wán）敝，忍不能予，此所谓妇人之仁也」，项羽的*队军**「所过无不残灭，百姓不亲附，名虽为霸，实失天下心」，大王您如果能反其道行之，任用勇武之人，则所到之处都能讨平；将城邑分封给有功之人，则人人信服；用义兵对付只想着东归故乡的士卒，一定所向披靡。项羽坑杀二十万降卒，关中父老对楚军恨之入骨，而您当初入关后，对民众秋毫无犯，约法三章，深受爱戴。您没能统治关中，秦地民众都感到遗憾，如果您能起兵东进，不用开战，发布檄文就能平定三秦「今大王举而东，三秦可传檄而定也」。刘邦被韩信的分析深深折服，直言相识恨晚。
刘邦发兵打败章邯，司马欣、董翳相继投降。项羽得知后，率兵抵御汉军。楚汉争霸正式展开。
田荣不满项羽的分封，阻止侄儿田巿去胶东就封，田巿害怕项羽，不敢不去，于是偷偷跑去胶东，田荣大怒，发兵袭杀田巿，自立为齐王。并派彭越为将，袭击济北王田安，统一原齐国大部分土地后，彭越再率兵出击，攻击并大败楚军将领萧公角。
公元前205年，十月（沿袭秦朝历法，以十月为岁首），项羽派人杀害楚怀王。
陈馀不服张耳为王，自己却为侯，派人跟田荣说：项羽分封不公，跟随他作战的将领都被封到好的地方为王，原来的各路诸侯王则被迁移到不好的地方。希望您助我兵马，去反对不公。田荣认同，派兵于他，陈馀率兵攻打常山，张耳败走，投靠刘邦。陈馀迎回赵歇，拥立其为赵王。赵歇则封陈馀为代王。
当初起义反秦时，项梁听了张良的建议，扶立韩国王室后裔韩成为韩王，楚汉争战时，张良投靠刘邦，项羽杀害韩成，封郑昌为韩王。
战国时韩襄王的孙子韩信（为区别于淮阴侯韩信，史称其为韩王信）依附刘邦，率兵攻击韩王郑昌，郑昌投降，刘邦封韩信为韩王。
正月，项羽打败田荣，复立田假为齐王。田荣在逃亡途中被民众杀害，其部下投降楚军，全被坑杀。楚军烧杀抢掠，齐地民众纷纷聚合抵抗。
当初，魏王魏咎的部下陈平，好读书，有谋略，但不被重用，后归附项羽。殷王司马卬叛变，陈平率兵打败司马卬，平定殷地叛乱。项羽封其为都尉（辅助郡守主管军事的长官）。
三月，汉军攻下殷地，项羽大怒，准备杀掉原来前去平定殷地的所有将领和官吏。陈平害怕被杀，派人将官印还给项羽，只身逃亡，归附刘邦。
项羽大失人心，刘邦发文昭告天下：项羽无道，杀天下共主（义帝楚怀王），我发誓率领关中士卒讨伐逆贼，愿各路诸侯与我共同出击。
刘邦派人去联合赵国，陈馀说：杀掉张耳，就答应你。于是，刘邦杀了一个长得像张耳的人，将人头送去后。陈馀派兵和汉军联合。
四月，田荣的弟弟田横聚集数万散卒，立侄儿田广（田荣之子）为齐王，起兵抗楚。
刘邦联合各路诸侯，聚集五十六万士卒，伐楚。
彭越率兵攻下原魏国的十余座城邑，归附刘邦，并打算拥立魏国王室后裔为魏王。刘邦建议让魏豹为魏王，并让彭越为魏国丞相。刘邦兼并了彭越的*队军**，趁项羽攻打齐国之机，攻下了楚国的都城彭城。刘邦收取项羽的财宝美女，日夜欢歌宴饮。
项羽留下大部队继续和齐军作战，自己则率三万士卒赶往彭城，汉军正图享乐，战心不固，而楚军「以強大之威而丧其国度都，士卒皆有愤激之气」。两军大战，汉军大败、溃逃，死伤十几万人，楚军一路追击，在灵璧（在今安徽宿州市灵璧县）再次大败汉军，十几万汉军尸体将睢水（淮河支流）堵塞。危急之际，大风狂吹，砂石飞扬，房屋都被吹翻，刘邦趁机脱逃。楚军急追，为了让车跑得更快，刘邦将儿子刘盈（日后的汉惠帝）和女儿鲁元公主推下车去。太仆（掌舆马的官员）滕公将二人救起，如此再三。刘邦的老婆吕后和岳父吕太公抄小路逃亡，被楚军俘获。
六月「关中大饥，米斛万钱，人相食」
八月，刘邦派郦食其去联合魏豹，被拒绝。韩信、灌婴、曹参率兵伐魏。
九月，汉军大败魏军，魏豹被俘。将魏地设为河东郡、上*党**郡、太原郡。
陈馀发现被骗，张耳并没有被杀，于是率兵离去。韩信、张耳率兵北进，攻打赵国和代国。
公元前204年，冬十月，赵王赵歇和陈馀在井陉口（在今河北石家庄市井陉县）布兵抵御汉军。李左车建议：井陉口道路狭窄，车辆不能并行，骑兵不能成列。韩信率军远征，粮草一定在后方。我率兵抄小路前去断绝汉军粮道，我军只需挖深沟、筑高垒，坚守不战，不出十天，韩信、张耳的头颅就可以送到您的军旗下「从间路绝其辎重，足下深沟高垒勿与战。彼前不得斗，退不得还，野无所掠，不至十日，而两将之头可致于麾下」。陈馀自称仁义之师，不用阴谋诡计。说「韩信兵少而疲，如此避而不击，则诸侯谓吾怯而轻来伐我矣」
韩信派人侦察，得知陈馀不采纳李左车的计谋，于是率军直下，离井陉隘三十里处驻军，半夜派两千轻骑兵，每人持一面红旗，抄小路隐蔽到山上，再派一万骑兵背水为阵。所谓「陷之死地而后生，置之亡地而后存」。见此阵势，赵军皆大笑。
汉军大部队出击，两军大战，韩信、张耳佯败回逃，赵军倾巢而出，两军激战，赵军「见可而进，知难而退，怀内顾之心，无出死之计」，汉军却背水而战，没有退路，皆殊死奋战。两军酣战此前隐藏于山上的二千汉军冲入赵军军营，插上汉军的军旗。久战不胜的赵军想撤回营地，发现营垒已被占据，士气大落，纷纷逃跑。赵军兵败，陈馀被杀，赵歇、李左车被俘。张耳有功，被立为赵王。
韩信给李左车松绑、让座，说「百里奚居虞而虞亡，在秦而秦霸；非愚于虞而智于秦也，用与不用，听与不听也」。并向其请教攻打燕国、齐国的计策。李左车建议按兵不动，安抚赵国人民，派辩士到燕国展示实力，燕国如果不战而降，齐国自然也会臣服。韩信采纳，依计行事，燕国果然投降。
刘邦的谒者（官名，为帝王主管禀报和收发）随何去拉拢九江王黥布，说：大王您与项羽同为诸侯，却以臣子的身份事奉他，是因为楚国强大。项羽攻打齐国时，身先士卒，而你只派了四千兵力助楚；汉王攻下彭城时，您也是袖手旁观。如今，楚军远征，靠老弱从千里之外运送粮食，汉军坚守待敌，楚军进不能交战，退则免不了被追击，势必失败。
楚国使者也催促黥布发兵攻打汉军。随何直接冲入客舍，跟楚国使者说：九江王已经归附汉王，楚国怎么能调发九江军呢？黥布无奈，只能杀楚国使者，发兵攻打楚军。交战数月，楚将龙且大败九江军。黥布抄小路逃亡，归附刘邦。
楚军拦截汉军的粮道，汉军缺粮，刘邦和郦食其商讨如何削弱楚国势力，最终得出扶立六国后人为诸侯共同对付项羽的策略。被外出归来的张良阻止，张良：天下游士抛妻弃子追随您征战四方，是指望有尺土寸地的封赐。复立六国君主，游士们只能各自回国事奉他们的君主。楚国强大，六国君主只会顺从强者，故不可取。
东汉史学家、政论家荀悦「夫立策决胜之术，其要有三：一曰形，二曰势，三曰情。形 者言其大体得失之数，势者，言其临时之宜、进退之机也；情者，言其心志可否之实也。故策同、事等而功殊者，三术不同也」，形，指大局的利弊状况；势，指临时的权宜、进退的关键；情，指意志的坚定与否。
陈胜起义时，立六国，是为了「多己之*党**而益秦之敌」，而且陈胜当时并未占有天下之地，是「行虚惠而获实福」，现在立六国，对于刘邦而言，是「割己之有而以资敌，设虚名而受实祸也」。故曰「权不可豫设、变不可先图；与时迁移， 应物变化，设策之机也」
周勃、灌婴跟刘邦说「陈平虽美如冠玉，其中未必有也。臣闻平居家时盗其嫂；事魏不容，亡归楚；不中，又亡归汉。臣闻平受诸将金，金多者得善处，金少者得恶处。平，反复乱臣也，愿王察之」，刘邦质问陈平，陈平说：魏王（魏咎）不重用我，项羽任人唯亲，听说汉王知人善任，我才过来投奔。如果觉得我不可用，钱财我留下，让我回家去。刘邦赶紧道歉，封陈平为护军中尉。
刘邦问陈平：天下大乱，何时安定？陈平说：项羽手下的刚直臣子，不过就范增、钟离眜（mò）、龙且、周殷几个人，我们拿出几万斤黄金去行反间计，使对方君臣相疑而起内讧，再趁机打败对方。刘邦认同，给了四万斤黄金给陈平，随便他怎么花。陈平重金买通楚军将士，散布谣言说钟离眜等人军功卓著，但始终得不到裂土封王的赏赐，于是暗中图谋叛乱。项羽果然生疑，不再信任钟离眜等人。
四月，荥阳（在今河南郑州市荥阳市）被围，刘邦求和，范增劝项羽应急攻荥阳。项羽派使者到汉军军营，陈平让人送去上等的食物，并假装吃惊地说：我以为是亚父（范增）的使者，原来是项王的使者。于是把食物拿下去，换粗劣的食物端上来。使者回去报告情况，项羽怀疑范增，不再听取他的意见。范增发怒，辞官回家，途中毒疮发作而死。
五月，陈平于某夜从东门放出两千多名女子，楚军抢夺，将军纪信假扮刘邦，坐在黄伞盖的车内前去楚军军营投降。刘邦趁机从西门偷偷逃跑。
刘邦赐彭越将军印，让其在项羽后方游击。
六月，项羽打败彭越，俘虏韩王信，包围成皋（在今河南荥阳市汜水镇），刘邦再次逃亡，向北渡过黄河，自称汉军使者，冲入赵军军营，张耳、韩信还没起床。刘邦抢了印信和兵符，掌握了军权后，派张耳巡行赵地，封韩信为赵国的相国，派其率兵攻打齐国。
八月，彭越率兵攻打梁地，攻下睢阳（今河南商丘市睢阳区）、外黄（在今商丘市民权县内）等十七座城邑。
九月，项羽留下大司马曹咎镇守成皋，并交代「谨守成皋！即汉王欲挑战，慎勿与战 ，勿令得东而已。我十五日必定梁地，复从将军」，项羽率兵攻打彭越，又抢回了睢阳、外黄等城邑。
刘邦打算退守巩义和洛阳。郦食其说「王者以民人为天，而民人以食为天。夫敖仓，天下转输久矣，臣闻其下乃有藏粟甚多。楚人拔荣阳，不坚守敖仓，乃引而东，令適卒分守成皋，此乃天所以资汉也」。敖仓在河南荥阳北的黄河边上，地处敖山，故称。秦时为大粮仓。项羽东击彭越，给了刘邦可乘之机。
郦食其出使齐国，跟齐王田广分析形势：天下人心皆归汉背楚，当初「汉王与项王戮力西面击秦，约先入咸阳者王之。汉王先人咸阳，项王负约不与而王之汉中」；项王杀义帝楚怀王；跟随项王者「战胜而不得其赏，拔城而不得其封。天下畔之，贤才怨之，而莫为之用」，田广从其言，归附刘邦，放松历下（即历城，因其南有历山，故称，在今山东济南市历下区）守备，与郦食其整日纵酒。
韩信听闻郦食其已经说服齐国，打算退兵，辨士蒯彻（为避汉武帝刘彻的讳，《史记》称其为蒯通）说「郦生，一士，伏轼掉一寸之舌，下齐七十余城；将军以数万众，岁余乃下赵五十余城。为将数岁，反不如一竖儒之功乎」，于是，韩信率兵渡过黄河，进攻齐国。
公元前203年，冬十月，韩信攻破历下，兵临临淄。田广以为郦食其欺骗他，说：你能阻止汉军，我就饶你不死。郦食其不愿改口，田广将其烹杀，率兵东逃。
曹咎不堪汉军的挑衅，出战「咎怒，渡兵汜水。士卒半渡，汉击之，大破楚军」，刘邦夺回了成皋，驻军广武（在今河南荥阳县西北），敖仓成为汉军的军粮供给中心。项羽率兵回击，汉军占据有利地势防守，两军相持数月，楚军粮草不足，项羽将刘邦的父亲置于案板上，派人通知刘邦「今不急下，吾烹太公」，刘邦派人答复「吾与羽俱北面受命怀王，约为兄弟，吾翁即若翁；必欲烹而翁，幸分我一杯羹」，项羽大怒，欲下杀手，经项伯劝谏才罢手。
项羽跟刘邦说「天下匈匈数岁者，徒以吾两人耳，愿与汉王挑战，决雌雄，毋徒苦天下之民父子为也」，刘邦笑答「吾宁斗智，不能斗力」
项刘二人隔着山涧喊话，刘邦历数项羽罪状：违背盟约，封我蜀、汉为王；假称怀王命令杀死卿子将军；擅自胁迫诸侯*队军**入关；烧毁秦宫，挖掘秦始皇陵墓，私自占据墓中财产；杀害已投降的秦王子婴；坑杀秦军降卒贰十万；给自己将领们分封好的地方而驱逐了原来的诸侯王；驱逐义帝，自据彭城为都；夺收韩王的领土，同时并吞梁、楚；派人*杀暗**义帝。项羽大怒，让弓弩手发射，刘邦胸部受伤，回军营后卧床不起，张良坚持要求刘邦起床巡行慰劳*队军**，以稳定军心。
项羽派龙且率兵救齐，有人建议：深壁坚守，派信使告知已陷落的城邑，齐王还在，楚军已来援救，各城邑必然反抗，汉军缺粮，势必不战而降。龙且说：韩信年轻人时蹭吃蹭喝，是没有养活自己的本领，受胯下之辱是没有过人的勇气，不用怕他，况且不打就让对方投降，那我有什么战功呢。
十一月，齐楚联军和汉军在潍水（山东东部的潍河）两岸摆开阵势。韩信派人连夜装了一万多个沙袋，在上流堵住潍水，然后率兵半渡，两军交战，汉军徉败，龙且急追，韩信下令掘开沙袋，水淹楚军。龙且战死，田广逃亡，被俘。田横自立为齐王，率兵攻打汉军将军灌婴。田横兵败，投奔彭越。
项羽派武陟去游说韩信，让其和楚国讲和，三分天下而称王。韩信说：我以前事奉项王，位卑言轻，出谋划策不被采纳，但汉王封我为上将军，对我言听计从，我不忍心背叛。武陟离去后，蒯彻说「当今两主之命，悬于足下，足下为汉，则汉胜，与楚则楚胜。诚能听臣之计，莫若两利而俱存之，参分天下，鼎足而居。盖闻“天与弗取，反受其咎；时至不行，反受其殃” 。愿足下熟虑之」。韩信说「汉王遇我甚厚，吾岂可乡利而倍义乎」。蒯彻说：当初张耳陈馀是生死之交，后来反目成仇。文种助勾践称霸，功成而身死。野兽尽而*狗猎**烹。以交友而言，你和汉王的关系不如张陈，以忠信而言，你们也比不过文种和勾践。而且你功高震主。楚汉都容不下您。韩信不忍心，没有选择背叛刘邦。
八月，项羽和刘邦讲和。
九月，项羽放还刘邦父亲和吕后。张良、陈平建议刘邦不要放虎归山，应该乘楚国兵疲粮尽而灭掉它。
公元前202年，冬十月，刘邦率兵追击，在固陵（今河南周口市太康县南）被项羽打败。刘邦听从张良的建议，将齐地封给韩信，魏地封给彭越，于是，两人率兵参战。
十二月，项羽到垓下（在今安徽宿州市灵璧县东南边、蚌埠市固镇县东五十里的沱河北岸），被汉军和诸侯联军包围。楚军兵少食尽，夜里，汉军大唱楚地歌谣，项羽大惊说：汉军已经占领楚国全境了吗？于是借酒浇愁，悲歌一曲「力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何」，左右皆泣，都不忍心抬头看项羽。
项羽率八百多人突围，渡过淮河后，只剩下一百多人。到东城（县治在今安徽滁州市定远县）时，身边只剩二十八人，而追兵有数千人，项羽奋战，杀汉军士兵近百人，再次突围而出。至乌江浦（渡口名，在安徽马鞍山市和县），乌江亭长说「江东虽小，地方千里，众数十万人，亦足王也。愿大王急渡」，项羽说「籍与江东子弟八千人渡江而西，今无一人还；纵江东父兄怜而王我，我何面目见之」，项羽将马送给亭长，与汉军短兵相接「独籍所杀汉军数百人，项王身亦被十余创」，项羽回头看到汉军骑司马（主管骑兵法纪的官）吕马童，说：这不是老朋友吗？我听说刘邦悬赏千斤买我人头，今天就成全你吧。说完自刎而死。汉军士兵为争抢项羽尸体而互相践踏，死了几十个人，最后吕马童等五人分了项羽的尸体。
刘邦以王者之礼下葬项羽，不杀项氏亲属，封项伯等多人为侯，并赐他们为刘姓。