漢軍東出
漢二年(公元前205年)，劉邦在基本平定三秦後，準備東出與項羽爭天下。他出關到陝，慰問那裏的父老。三月，劉邦率軍從臨晉渡河，魏王豹將兵從。很快攻下河內，俘虜殷王司馬卬，置河內郡。南渡平陰津到洛陽，降河南王申陽。這時有新城三老董公等擋在劉邦馬前訴說義帝的死亡經過。漢王聞後，大哭一場，遂爲義帝發喪，舉哀三日。然後向各諸侯王發佈項羽大逆無道的罪狀，並以此爲藉口號召各諸侯王率兵與自己一起討伐項羽爲義帝報仇。從而正式拉開了四年楚漢戰爭的序幕。
彭城之戰
公元前205年5月，劉邦乘項羽深陷於齊國，無力抽身的機會，率領諸侯聯軍56萬一舉攻佔西楚都彭城。短暫的勝利是劉邦失去理智，天天與諸侯們喝酒慶祝。項羽聞之，急率輕騎兵3萬回襲彭城，聯軍無備，一時被殺十萬，溺水淹死十萬，劉邦僅率數十騎逃脫，以漢爲首的反楚聯盟瓦解。
滎成對峙
同年6月，劉邦率部退到滎陽，一路收集敗兵，並派韓信於蕭索之間擊敗了楚追兵，得以喘息，穩住了陣腳，遂重整軍隊，依託關中基地和有利地勢與項羽長期抗爭。7月，一直負隅頑抗的章邯終於兵敗自殺，劉邦完全解除了後顧之憂;且在逃往滎陽前便派人說服英布反楚，聯絡彭越擾楚後方;派韓信開闢北方戰場，攻魏俘魏王豹，破代，滅趙殺陳餘。公元前205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，並奪取成皋。
爲了減輕楚軍對滎陽的壓力，劉邦率軍經武關、宛(今南陽)、葉(今葉縣南)，想引誘項羽南下。爲配合漢軍行動，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(今江蘇邳州南)。項羽被迫率軍回救，劉邦乘機收復成皋。公元前204年7月，項羽以凌厲攻勢拔滎陽，再奪成皋。
鴻溝爲界
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睢陽縣、外黃縣(今民權縣)等地，再次迫使項羽回救。公元前204年11月，劉邦用計再次收復成皋(今滎陽汜水鎮西北)，斬殺了項羽大將曹咎。
項羽在擊敗彭越後，尋漢軍主力決戰不成，屯兵廣武(今滎陽北)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迴，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，以鴻溝爲界，中分天下，東歸楚，西歸漢。公元前203年10月，項羽引兵東歸。
垓下之戰
楚、漢訂盟後，劉邦本想退兵，在張良、陳平提醒下，下令全力追擊楚軍。公元前203年11月，兩軍戰於固陵(今淮陽西北)，項羽小勝。公元前202年1月，劉邦以封賞籠絡韓信、彭越、黥布等，垓下一戰重創楚軍。
公元前202年1月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等各路漢軍約計70萬人與10萬久戰疲勞的楚軍於垓下(今安徽靈璧縣南)展開決戰。漢軍以韓信率軍居中，將軍孔熙爲左翼、陳賀爲右翼，劉邦率部跟進，將軍周勃斷後。
韓信揮軍進攻，採用誘敵深入戰術，前軍先詐敗，信引兵後退，命左、右翼軍包抄攻擊楚軍後部步軍。楚軍久戰疲勞後軍迎戰不利，漢軍將楚後軍與項羽前軍騎士分割兩半，韓信再指揮全軍反擊，楚軍大敗，陣亡四萬餘，被俘兩萬，被打散兩萬，僅剩不到兩萬傷兵隨項羽退回陣中。
後楚軍退入壁壘堅守，被漢軍重重包圍。楚軍兵疲食盡。韓信命漢軍士卒夜唱楚歌，歌雲：“人心都向楚，天下已屬劉;韓信屯垓下，要斬霸王頭!”。
致使楚軍士卒思鄉厭戰，軍心瓦解，項羽只有率800人突圍至烏江(今安徽省和縣境)，這時項羽身邊只剩下28騎了，一亭長願帶項羽逃至江東重振霸業，遭項羽拒絕。項羽帶着28騎大戰漢軍，最後全軍覆沒，項羽不願被俘受辱，於是在烏江自剄而死。
劉邦於是還至定陶，馳入韓信軍中，收奪了他的兵權，後改封韓信爲楚王，都下邳(今江蘇邳州東)。
君臨天下
在公元前202年2月，劉邦兌現了先前的諾言，封韓信爲楚王，彭越爲樑王。受封的韓信和彭越聯合原來的燕王臧荼、趙王張敖以及長沙王吳芮共同上書劉邦，請他即位稱帝。劉邦開始假意推辭，韓信他們說：“大王雖然出身貧寒，但能率領衆人掃滅暴秦，誅殺不義，安定天下，功勞超過諸王，您稱帝是衆望所歸。”劉邦順水推舟地說：“既然你們大家都這樣看，覺得有利於天下吏民，那就按你們說的辦吧。”
公元前202年2月28日(按西漢前期以十月爲歲首，同年二月在十月之後)，劉邦在山東定陶汜水(今山東曹縣北)之陽舉行登基大典，定國號爲漢，是爲漢高帝。劉邦即皇帝位後，王后呂雉改稱皇后，太子劉盈稱皇太子。劉邦最初定都洛陽，後根據戍卒婁敬的建議，定都咸陽以東的長安(今陝西西安)，取長治久安之意。開基肇始，史稱西漢。
