刘邦之所以胆敢袭击章邯等人，是因为当时齐国已经显露出不满的迹象，出身原齐国贵族世家的田荣因为对项羽不满，废了项羽册封的齐王，自己取而代之，然后叫嚣着要打败项羽。一边是刘邦占领了关中的大部分地方，一边是齐国的躁动，项羽不知道该先镇压哪一方。张良这时给项王写了封信，说刘邦只要得到关中的地方就足够了，绝不会有进一步冒犯的可能，不过其他封王都想得到全部的江山，应该先把他们解决掉。
项羽果然不再防范刘邦，全心全力去攻打齐国，等到楚军和齐军交战的时候，刘邦就开动军队朝东边挺进，借义帝的名义拉拢各处诸侯讨伐西楚霸王。
汉二年（公元前205年）四月，刘邦率军攻打楚都彭城，此时彭城防守松懈，军队都被项羽带去镇压齐王田荣，刘邦趁机在洛阳召集了几十万人马，分为几队朝彭城进军。
留守在彭城的楚军将领龙且和项佗出兵抵抗汉军入侵，遇到从西边包抄而来的汉军将领曹参、灌婴和周勃，三人很快从围津（今山东东明）横渡黄河，并在定陶打败了龙且和项佗，然后占领了胡陵（今山东鱼台东南）；另一路从叶县（今河南叶县西南）到阳夏，从南边包围彭城；最后一路则由刘邦亲自带领，夏侯婴等将领和诸侯王的军队都在这一队中，他们攻占彭城东南方的外黄（今河南兰考东南），然后向东挺进。半路上遇到彭越带着三万人马前来归顺，刘邦很是高兴，封彭越为魏相，派遣他去攻打梁地（今河南东北部）。这之后没多久，刘邦轻而易举地进入了彭城。
正在齐国打仗的项羽听到自己的都城被刘邦占领后，气得暴跳如雷，奈何军队都投入到和齐国的战争中，项羽决定赌一把。他领着三万精锐士兵日夜兼程，先是攻占了萧县，让刘邦军队无路可逃，然后趁刘邦在彭城内大肆欢庆的时候发起进攻，项羽以一敌百，战士们大受鼓舞，早上开始交锋，中午时分就已经把汉军打得连连败退，刘邦率众人躲在谷水和泅水（今江苏徐州西）周围，惊慌失措的汉军你推我挤，早已没了纪律，楚军没费多少力气就诛杀了10多万。剩下的汉军继续朝西南方向逃跑，楚军又在灵璧把汉军团团包围，逼迫十几万汉军跳进睢水里。项羽以为这次一定能抓住刘邦，没想到天空中突然刮起一阵夹杂着沙石的大风，吹得人睁不开眼睛，打在身上生疼，刘邦一看老天都在帮助自己，便撇下大军，只带几名骑兵仓皇逃跑。彭城一战，刘邦损失惨重，原本答应和刘邦结为同盟的诸侯王被项羽的气势吓得不轻，全部倒戈投靠楚军。
汉二年六月，韩信打败了前来剿灭汉军余部的楚军，然后刘邦再次招募士兵，在荥阳休养生息，继续和项羽抗衡。章邯一直在和刘邦交战，到了七月，他终于坚持不住被刘邦击败，最终自杀了。
刘邦又派人劝说英布离开项羽，彭越还不时在楚军周围来点小动静，项羽此刻已是头疼不已。北方的魏国也被韩信攻占，魏王豹被俘虏，代国和赵国也相继灭亡。
不久，项羽开始反击，楚军把荥阳围了个水泄不通。这下刘邦急了，不知道该怎么逃出去，正好身边的一个谋士给他献了条计策，这个谋士叫陈平，也是从楚国跑来的。他对刘邦说，项羽身边的范增是他最得力的帮手，只要使计让项羽不再信任范增，楚军必将不堪一击。于是刘邦开始散播消息，说范增和汉国私下里有来往，项羽又一次中计，范增又气又恼，便称自己年纪大了准备回老家，匆匆离开项羽，却不料半路病发，没到家就死了。
范增的离开削弱了楚军的实力，刘邦假派别人去投降也没有让项羽起疑，趁这个机会，刘邦终于从团团包围中逃出荥阳。出逃之后，刘邦和韩信联合起来攻占了成皋，又逼得楚军主力离开荥阳去保护正被彭越入侵的下邳。
公元前204年七月，荥阳和成皋再次被项羽占领。
公元前204年十一月，刘邦招募大批新军，和彭越一同攻打雎阳（今河南商丘南），项羽不得不调动军队前去战斗，成皋又一次落入刘邦手中，守城将军曹咎被汉军杀死。
项羽在雎阳打败了彭越，但军队损失不小，他顾不得给士兵补给装备，马不停蹄赶到广武（今河南荥阳北）驻军，和汉军相对而立。不巧的是，韩信和灌婴已经把项羽的后路堵死了，楚军的粮食已经不多，士兵的战服也十分紧缺，在这绝望的情势之下，项羽只好接受和刘邦讲和，双方各占一半江山，以鸿沟为界限，西边是汉国，东边是楚国。
公元前203年，项羽撤军。刘邦见楚军离开之后，也打算回到关中，张良和陈平却不这么想，他们认为楚军撤退正是汉军发起进攻的好时机，眼看楚军势力大减，人心尽失，不如乘胜追击，灭掉楚国，从此天下就是汉国的了。项羽万万想不到刘邦竟然撕毁条约，乘人之危，楚军一边抵抗一边退居到垓下。刘邦则集结了韩信、彭越等诸多将领率七十万人马来围攻项羽。
楚军一连作战好几次，士兵都疲惫不堪，人数也仅剩下十万，在汉军密不透风的包围下，项羽率领的骑兵队和后面的步兵队被分隔开来。汉军先是假装逃跑，吸引项羽和骑兵队追击，然后从左右两边夹击步兵队。这一仗，楚军共损失四万人马，被汉军俘虏了两万人马，跟随在项羽身边的士兵只有不到两万人，项羽无奈只有再次退到垓下休整。晚上，项羽在营中饮酒，虞姬陪在一旁，忽闻帐外传来楚人的歌声，四面八方皆是，项羽惊讶极了，认为自己没了后路，他凄凉地唱着：
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。
这便是闻名后世的《垓下歌》。虞姬自知项羽如今只有拼死一搏，杀出重围，自己在他身边始终是个累赘，于是在项羽唱完之后，虞姬悲伤地和他告别，然后拔剑自刎。虞姬死后，项羽便率领八百精兵突出重围——这正是刘邦的计谋，用歌声逼迫项羽杀出来。项羽一路上斩杀了不少汉军将领和士兵，但韩信、周勃、樊哙等人一直在后面穷追不舍，项羽几经曲折，终于跑到乌江边上。八百士兵只剩下二十六名。江边有一条船，乌江的亭长对项羽说：“江东虽小，也可让大王休养生息，请大王即刻随我过江。”
项羽仰天大笑，对亭长说：“想当年我带领几千江东子弟渡河打天下，如今只剩我一个人回去，就算江东父老不怪罪我，我也愧对他们。”说完，汉军已经追了上来，项羽和士兵们奋死抵抗，个个杀红了眼。二十六名士兵全部战死，项羽也伤痕累累，最后提剑自杀。
公元前202年，刘邦在伐楚胜利后封韩信为楚王，封彭越为越王。众人恭请刘邦称帝，一统江山，刘邦先是推辞一番，部下便以天下安危和百姓幸福为由，请他不要再推辞，刘邦这才答应下来。
公元前202年二月，刘邦在定陶宣布即位，建立汉朝。