汉王元年 (公元前 206年) 十月，刘邦灭秦后在关中称王。十二月，项羽挥军破函谷关，想消灭刘邦军。刘邦自知不敌，亲赴鸿门(今陕西临潼东北)谢罪。不久，项羽入咸阳。春，项羽表面上尊楚怀王为义帝，实际却将其发配到了江南，自立为西楚霸王，都彭城(今江苏徐州)，同时分封18诸侯，封刘邦为汉王，领巴蜀及汉中地，并故意封秦降将章邯、司马欣、董翳(意)为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。刘邦只好忍气吞声接受封号，于四月领兵入汉中、并烧毁栈道(用木板架在悬崖上铺成的道路)，表示再也无意出兵，以麻痹项羽。项羽亦率军东归。五、六月，齐国贵族后裔田荣不满分封，赶走齐王，杀胶东王，自立为齐王。刘邦乘乱重返关中，击败章邯，迫降司马欣、董翳，并用计欺骗项羽，使其相信自己取得关中后已心满意足，再也不会东进了。项羽放心去攻打田荣，对西边没有加强防范。十月，刘邦挥军东出，拜韩信为大将，明修栈道，暗渡陈仓 (今陕西宝鸡市东) ，名为义帝发丧，派人联络诸侯，公开声讨项羽，拉开了楚汉战争的序幕。
初战彭城：四月，刘邦乘项羽在齐国停留的机会，率领诸侯军一举攻占彭城。项羽闻之，急率精兵 3万奔袭，歼联军20余万，刘邦仅率数十骑逃脱，反楚联盟瓦解。
争夺成皋：五月，刘邦到达荥阳，击败了楚追兵，得以端息，稳住了阵脚，遂重整军队，依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。六月，刘邦派兵攻废丘，迫章邯自杀，解除了后顾之忧;派人说服黥布反楚，联络彭越扰楚后方;派韩信开辟北方战场，攻魏俘魏王豹，破代，灭赵杀陈余。三年冬，项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。
刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃出荥阳。项羽加紧围攻荥阳，并夺取成皋。
为了减轻楚军对荣阳的压力，刘邦率军经武关、宛(今河南南阳)、叶(今叶县南)，想引诱项羽南下。为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳 (今江苏邳县南) 。项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。六月，项羽以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。
刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻雎阳(今河南商丘南)、外黄等地，再次迫使项羽回救。四年十月，刘邦用计再次收复成皋。
项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武(今荣阳北)与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。
项羽腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。九月，项羽引兵东归。
楚、汉订盟后，刘邦本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。五年十月，两军战于固陵(今淮阳西北)，项羽小胜。刘邦以封赏笼络韩信、彭越、黥布等，垓下一战重创楚军，逼项羽自刎于乌江 (今安徽和县境) ，终于结束了为期四年的楚汉战争。