在公元前206年，即汉王元年的五月，刘邦让萧何任丞相，负责管理后方巴蜀地区，他亲自和韩信领兵从陈仓（现在陕西宝鸡东）偷渡，迅速占领了关中全部，至此，著名的楚汉战争正式爆发。
楚汉战争分为两个阶段，前一阶段是刘邦处于下风，屡次被项羽杀得大败而归。后来，刘邦离间了项羽和范曾，逐渐占据上风，最后将项羽彻底打败。
楚汉双方又对阵了十个多月，因为有关中和蜀地的支援，刘邦逐渐占了上风，而项羽则兵源缺乏，粮草不足，难以和汉军抗衡。在侯公的撮合下，项羽和刘邦定下了停战协定：楚汉以鸿沟（现在河南荥阳、中牟和开封一线）为分界线，东西分治。协定达成之后，项羽将战争中擒获的刘邦的父亲和妻子送还。
项羽领兵东返，刘邦也打算领兵回关中。张良和陈平则极力劝说刘邦趁机灭掉项羽，因为这时项羽兵不精粮不足，万一他回到彭城，等于是纵虎归山。刘邦听了赶紧命令追击。同时派人命韩信和彭越火速集结，合击项羽。
在公元前202年的十月，刘邦追上了项羽，但到了固陵（现在河南太康西）时，韩信和彭越的军队还没有到达。项羽向汉军猛烈反击，将汉军击溃。刘邦只得坚守不出，并马上派人许诺韩信和彭越，在击败项羽后立即封他们为齐王和梁王，于是韩信和彭越立即进兵。同时，楚的大司马周殷也被刘邦派人劝降，淮南王英布领兵也赶来会师。汉军会合各路援军共三十万，和项羽决战垓下。夜里，围困项羽的汉军唱起了楚国苍凉的歌，使项羽以为汉军已占有全部楚地。走投无路的项羽在大帐中和心爱的虞姬饮酒，乘着酒力慷慨而歌：“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！”
虞姬当着项羽的面含泪自刎，项羽擦去眼泪，跃马率领八百骑兵趁夜突围，在渡过淮河后，身边只剩下了一百人，向东撤退，在东城（现在安徽定远东南）被灌婴的骑兵追上，项羽随从只有二十八人了，和汉军激战三次，杀伤几百汉军后，项羽最后横剑自刎。