础西行伐秦。怀王与诸将约：“先入定关中者王之”。刘邦西征前先行北上收项梁散卒，于东郡大破秦将王离及东郡尉。还攻昌邑几交失利后往西，开始西征。经过几个月的转战，于秦二世三年十月进至咸阳郊外。于蓝田大破秦军。秦王子婴向刘邦投降。秦朝灭亡。刘邦入咸阳，尽除秦苛法。与关中父老约法三章。秦二世三年十二月，项羽杀卿子冠军，夺其军权。率军北上救赵，于巨鹿之战在大破秦军，之后再连破秦军，最终秦将章邯投降。项羽为“诸侯上将军”，率诸侯军进入关。与刘邦会于鸿门，这就是历史上有名的鸿门宴。鸿门宴后，项羽入屠咸阳，杀秦宗室，焚秦宫室，劫掠关中。
项羽率北路楚军于巨鹿之战一举歼灭秦军主力 40余万，自恃功劳最大，并取得了诸侯上将军地位，统率诸侯之兵，实力雄厚。与此同时，刘邦率另一路楚军所率义军亦转战于河南，招降纳叛，屡破秦军，先行入关接受秦王子婴投降。按照楚怀王“先入定关中者王之”之约，刘邦欲称王于关中。项羽亦率诸侯军40余万直奔关中。项羽自认功高，自恃强大，遂自行分封天下，并拒绝把先入关的刘邦封为关中王，将其改封到汉中（郡治南郑，今陕西汉中）为王，王巴蜀、汉中三郡，引起刘邦不满。并任秦三降将分别为雍王、塞王和翟王，监察并围堵刘邦。与此同时，齐相田荣因未从项羽入关而未得到分封，对项羽三分齐地亦甚不满。而原赵国大将军陈馀自认为与张耳功等到，张耳为诸侯王而自己仅为列侯食三县不满，且亦不满项羽逐故王赵歇王代。
汉元年十月，刘邦进至灞上（今陕西西安市东南），秦王子婴投降，秦朝灭亡。依据反秦义军“盟主”楚怀王与天下“先入定关中者王之”的约定，刘邦理应称关中之王，又闻项羽欲立章邯于关中，号雍王，于是派兵驻守函谷关（今河南灵宝老城东南北寨村之北），以防诸侯入关。同时，宣布废除秦朝苛政，与关中父老“约法三章”：“杀人者死，伤人及盗抵罪”。项羽自认为功劳最大。然而胜利在即之际，却被刘邦抢先进入关中，夺取了胜利果实，自然怒气冲天，于是率诸侯军40余万入关。汉元年十二月，项羽命英布攻破函谷关，进驻新丰鸿门（今陕西临潼东），意图消灭刘邦军。刘邦军不足10万，自料力不能敌，于是还军灞上，并竭力拉拢项羽的叔父项伯请为调解，并亲赴鸿门谢罪，示以诚意，并表示归顺，项羽决心动摇，放走了刘邦。数日后，项羽引兵西进咸阳，杀秦降王子婴，火烧宫殿，大火三月不灭。时韩生劝谏项羽：“关中阻山河四塞，地肥饶，可都以霸。”项羽却说：“富贵不归故乡，如衣绣夜行，谁知之者！”于是烹杀谏者，放弃了建都关中形胜之地的良好抉择。
项羽上书义帝请封功臣，怀王回复“如约”。项羽大怒，不遵义帝之命，自主分封。汉元年（公元前206年）二月。项羽尊楚怀王为义帝，立十八诸侯。而割梁楚九郡自王之，号“西楚霸王”。四月，诸侯兵罢戏下。各就国。项羽封刘邦为汉王，以“巴、蜀亦关中地“为由，封以刘邦，刘邦贿于项伯又求封得汉中。是以刘邦定都南郑（今陕西汉中）。又将关中地区分为三部，封秦降将章邯、司马欣、董翳分别为雍王、塞王、翟王，合称“三秦”，企图通过他们控制关中，将刘邦困锁在汉中巴蜀地区。
刘邦被改封到汉中，初不欲就国。谋攻项羽，萧何进言曰：“汉水上应天汉。汉中，据有形胜，进可攻退可守，秦以之有天下”。刘邦于是采纳萧何建议，屈就汉王封号，招贤纳士以图天下，同时确定了收用巴（郡治江州，今重庆市北嘉陵江北岸）、蜀（郡治成都，今四川成都）。还定三秦，东向以争天下的方略。四月，忍忿前往汉中（郡治南郑，今汉中市城东）就国，而张良亦回韩国就任韩相。刘邦去汉途中烧毁所过栈道，防止诸侯军偷袭，并借此表示无东向之意，以麻痹项羽。项羽亦于同时班师彭城。至汉中后，故项羽帐下执戟郎中韩信因不受重用而弃楚归汉。后经过萧何举荐于汉元年五月任大将军。刘邦积极为回师关中做准备。
汉元年（公元前206年）四月。诸侯罢戏下。各就国。韩王成因无功，又韩相张良与刘邦相善。故项羽将其留在彭城，贬爵为侯。故燕王韩广不愿徙王辽东，新燕王臧荼攻杀之于无终。并其国。五月，齐相田荣不满项羽分封，击新齐王田都，田都奔楚。原齐王、新封胶东王田市畏惧项羽，前往胶东就国，田荣怒，追杀之，遂自立为齐王，不久又攻杀济北王田安。这样田荣击并三齐，并予彭越将军印，令其击楚。汉二年十月，赵将陈馀因不满项羽分封，从齐王田荣处借兵，与自己三县之兵一起攻常山王张耳，张耳败归汉。陈余迎立代王赵歇复为赵王，自为代王，命夏说为相守代，自己留辅赵王。同月，项羽自己亦作乱，密令九江王英布遣将杀害义帝于郴县。
田荣击并齐地自为齐王，并予彭越将军印令反梁地，项羽十分恼怒。刘邦乘项羽无暇西顾和三秦王立足未稳之机，“决策东乡（向），争权天下”。令萧何收取巴、蜀租赋补给军队，并得萧何大力举荐，任命韩信为大将，以曹参为前锋统兵数万，积极部署东进。八月，汉军以韩信“明修栈道，暗度陈仓”之计潜出故道（因临故道水得名，治今陕西风县北风州之西），兵至陈仓（今陕西宝鸡），袭击雍国，进围章邯军于雍都废丘（今陕西兴平东南）。同月，塞王司马欣、翟王董翳降汉。之后从八月至汉二年十一月，陇西（郡治狄道，今甘肃临洮南）、北地（郡治义渠，今甘肃宁县西北）、上郡（郡治肤施，今陕西榆林鱼河堡），这样关中仅剩下雍王章邯困守废丘，其他尽归汉有。十月，命薛欧、王吸出武关（今陕西丹凤东南），因南阳王陵军，欲东迎刘邦眷属，被楚军阻于阳夏（今河南太康）。
项羽闻知刘邦已兼并三秦，且准备东进伐楚，而齐、赵地都已反叛，大怒，杀韩王成，乃立原吴县（会稽郡治所，今江苏苏州）县令郑昌为韩王，以抵御汉军。张良为韩相，韩王成被杀复归汉，行时予项羽书言“汉王失职，欲得关中，如约即止，不敢东。”并将齐、梁地反书“齐欲与赵并灭楚。”呈给项羽。项羽亦以齐梁近楚，而彭越破之前杀萧公角，田荣与彭越之威胁更近，遂无西顾之意，于是采取“先齐后汉”的战略方针，故不救章邯，而北上击齐。田荣闻项羽击齐，率军迎击，结果大败。自己败走平原，平原民杀田荣，降项羽。但项羽采取错误政策，不仅不予召抚，反而怒田荣反，迁怒齐人，大肆屠杀，所过残灭。于是齐人纷纷复叛，项羽奔走于齐地，但远不能扑灭齐地战火。田荣弟田横趁机复起于城阳（今山东莒县），立田荣子田广为齐王，自任齐相，与往来袭击楚军。项羽于是一时深陷齐地无法自拔。项羽齐地战事胶着，而刘邦也于汉二年十月至陕（今河南陕县）大有东进之势，且新韩王郑昌在韩地很不力。不久降汉。十一月，汉立韩信（韩王信）为韩王。于是项羽派使者向英布征兵，但英布仅以老弱敷衍，项羽对此深为不满。数遣使斥责。
汉二年春，刘邦趁项羽陷于齐地无法抽身之机，亲自率军由函谷关出陕县（今河南三门峡市西）东进。迫降河南王申阳和项羽新封的韩王郑昌；西魏王魏豹率军归附，继而俘虏殷王司马卬，迅速占领了今河南及山西中、南部广大地区，造成东进的有利态势。汉二年（前205年）四月，刘邦进至洛阳，接受董公“兵出无名，事故不成”、“明其为贼。敌乃可服”的建议，＇3＇以项羽杀害义帝为口实，为义帝报仇讨逆为政治号召，令三军发丧，缟素三日，发檄文布告全国：“天下共立义帝，北面事之。今项羽放杀义帝于江南，大逆无道。寡人亲为发丧，诸侯皆缟素。悉发关内兵，愿从诸侯王击楚之杀义帝者”联络各地诸侯王。率本部及塞、翟、魏、赵、代五国诸侯联军56万攻楚，并一举攻占楚都彭城。项羽得知后，留众部将继续击齐，自率精兵3万疾驰南下。时刘邦等众诸侯已入彭城，收其货宝美人，置酒高会。项羽乘刘邦陶醉于胜利，戒备松懈之际，率军绕至彭城西，于清晨时发动突然袭击。战至中午。大破汉军，汉军往泗水方向溃逃。楚军紧追不舍，杀汉军十余万人，一直追击至灵壁（今安徽灵璧县）东濉水。汉军相互拥挤、践踏，加上楚军追杀，汉军十余万人皆入濉水，濉水为之不流。此役，汉军被歼数十万，刘邦也险些被虏，仅率数十骑突出重围，逃回荥阳（今河南荥阳东北古荥镇），经此一战，汉军元气大伤。项羽虽取得彭城之战胜利，但齐地战事却不利。在其率军击诸侯联军时，田横尽收齐地。但田横复国后并未攻楚，而是中立于楚汉之间，直至郦食其说齐。
刘邦大败于彭城，逃到下邑。父亲刘太公、母亲刘媪和妻子吕雉被楚军俘获，被拿住做人质。诸侯见刘邦败，转投项羽，塞王司马欣和翟王董翳入楚为将。赵国发现汉并没有杀张耳，赵兵退去反与汉为敌，汉王刘邦所纠集之联盟顿时瓦解。时吕后兄周吕侯将兵居下邑，刘邦到来后收集散兵。张良亦至下邑，与刘邦于下邑规划下一步对策。张良说：“九江王黥布，楚枭将，与项王有隙；彭越与齐王田荣反梁地：此两人可急使。而汉王之将独信可属大事，当一面。即欲捐之，捐之此三人，则楚可破也。”刘邦采纳张良建议。刘邦过夏邑，谋士随何自荐往说九江王英王。刘邦还至荥阳前205年六月，汉军水攻废丘，雍王章邯在抵抗了十个月兵败自杀，至此三秦悉为汉有。同时，英布与龙且战争，不得胜利，与随何往见刘邦，楚军尽取九江。刘邦收取士卒，会合关中萧何派来的援军，加上韩信赶来会合，项羽率楚�