秦二世二年（前208），楚怀王熊心派刘邦率领大军西征伐秦，并与诸将约定，谁先入函谷关亡秦就封谁为王。公元前206年，刘邦在谋士张良、儒生郦食其的帮助下，再加上义军将士拼死苦战，连续攻下武关、崤关等战略要地，大军顺利地开入了咸阳城。刚一入城，将士们被咸阳宫殿的豪华奢侈惊呆了，如饿虎扑食般扑向珍宝异器。刘邦看到数不清的宫女、犬马和一大堆的奇珍异宝，便想留下来安享富贵。部将樊哙劝谏，他毫不理会。后，谋士张良对刘邦说道：“秦朝暴虐无度，你才会兴兵伐秦来到这里。你是为民除害，就不应该在这里享受暴秦的声色犬马。你如果真要这么做，和暴秦有什么不同呢？”刘邦这才打消享乐的念头，封秦府库，还军灞上。不久，刘邦把百姓召集在一起，宣布约法三章：杀人者死，伤人及盗抵罪。其余凡是秦的酷法一律废除。秦地百姓惊喜异常，他们争相犒劳刘邦的军队，希望刘邦能在关中长期称王。 刘邦入关后大获人心，就派兵守住函谷关，不让诸侯军队进入，企图将关中据为己有，长期称王于此。项羽于公元前207年在巨鹿（今河北巨鹿）破釜沉舟，大败秦军主力，迫降了秦将章邯及20万秦军。公元前206年，项羽率兵直奔函谷关而来，结果遭到刘邦部下的阻击。项羽勃然大怒，下令强行入关，急行至咸阳郊外，驻军鸿门（今陕西临潼东北），与屯兵灞上的刘邦相距仅40里。楚汉对立由此开始，也可以说是楚汉相争的前奏。当时项羽拥兵40万，号称百万，而且他在巨鹿大败秦军，不少诸侯依附于他，而刘邦只有10万军队，孰强孰弱，不言而喻。刘邦自知不是项羽的对手，于是在鸿门宴上对项羽低声下气，一再强调没有称王关中的野心。项羽自恃功高，骄傲自大，没有采纳亚父范增除掉刘邦的建议。
鸿门宴后，项羽的军队进入咸阳。项羽命人杀掉秦王子婴，捣毁骊山陵墓，洗劫秦宫，令秦地的百姓对他大失所望。火烧秦宫后，项羽将楚怀王尊为义帝，随后又指使人将怀王害死。项羽鼓动诸侯分封天下，并立刘邦为汉王，定都南郑（今陕西汉中）。刘邦梦寐以求的关中地区被一分为三，分别封给秦的三个降将：雍王章邯、塞王司马欣和翟王董翳。项羽则自立为西楚霸王，定都彭城（今江苏徐州）。刘邦没有当上关中王，便欲发兵攻打项羽，但他的部下萧何劝告他忍辱负重，先立足汉中，招贤纳士，储备物资，充分准备之后再挥师东进，力平三秦（关中），夺取天下。刘邦这才没有赌一时之气，率领部下前往南郑。
落败彭城
进入南郑后，刘邦立即开始整编军队，招纳贤才，储备物资，扩充实力。在这一时期他起用了一个重要人物——韩信，此人是日后楚汉战争中关系双方胜负的举足轻重的人物。起初刘邦也没有发现他的才能，不肯重用，后来萧何对刘邦说：“你欲称霸天下，非用此人不可！”经萧何几次推荐，刘邦才拜韩信为大将军。从此韩信卓越的军事才能便如涌泉般展现。他向刘邦分析天下大势，指出平定三秦是东进攻打项羽的前提，并为进军三秦做了详细而具体的部署。刘邦此时对韩信已佩服得五体投地，委以重任。
汉高祖刘邦元年（前206）七月，田荣、彭越起兵反叛项羽，刘邦趁此机会，采用韩信“明修栈道，暗度陈仓”的计策，大张旗鼓地修复栈道，以吸引三秦的注意力，迷惑对方。八月，刘邦秘密组织汉军迅速开往陈仓（今陕西宝鸡），对陈仓发起突然袭击。雍王章邯调集军队仓皇迎战。无奈刘邦、韩信是经过周密部署有备而来的，全军密切配合、势如破竹。塞王司马欣、翟王董翳、河南王申阳先后投降刘邦。雍王章邯顽固死守，后也被汉军攻下。刘邦为收买人心，以分封为条件诱降，同时下令在攻下的属地为百姓修整河道，恢复生产，并开放秦朝时的皇家苑囿供百姓耕种和渔猎采集。刘邦以武力开道，继以安抚人心为保证，牢牢控制了关中地区。
项羽听说刘邦攻占三秦，急忙发兵前来讨伐，但被汉军拒于关外。此时又传来齐国、赵国联合反叛的消息，项羽大怒，不知是该留在此地攻打刘邦，还是班师向东问罪于齐、赵。这时张良给项羽写了一封信，信中说：“刘邦不满于做汉王，出兵三秦只是想称王关中而已。此时他的目的达到了，不会再东进。”项羽轻信了张良的话，兵锋由西转东直扑齐、赵而去。支走项羽，刘邦于公元前205年初出关东进，一直打到洛阳。在洛阳，他采纳洛阳三老董公的计策，为义帝发丧，号召诸侯共同讨伐项羽，以使自己的东征计划师出有名。自项羽在函谷关消灭刘邦的军队以来，楚汉对立虽已开始，但未正式反目。此次刘邦为义帝发丧，将项羽置于万众之矢的靶子上，是对项羽的正式宣战，楚汉战争随即进入高潮。
汉高祖二年（前205）四月，刘邦趁项羽平定齐、赵叛乱的空子，一举攻入项羽的都城——彭城（今江苏徐州）。刘邦见胜利来得容易，以为天下之势就此而定，于是忘乎所以起来，只顾饮酒作乐。待项羽率军杀回，刘邦落败而逃，惶惶如丧家之犬。此次汉军因刘邦的一时糊涂遭受重挫，许多诸侯又纷纷倒向项羽。
成皋之战
汉高祖二年（前205）年五月，刘邦到达荥阳，诸路兵败的队伍也汇集于此。刘邦整编军队，补充兵力，同时不拘一格起用人才，挫败了项羽欲攻下荥阳以图西进的打算。此时大将韩信率领的部分汉军轻取魏国，挥兵北上攻打赵国，经过井陉关一战后，韩信灭掉了赵国。尔后采用原赵国谋士李左车的计策，不费一兵一卒即降服了燕国。韩信先后平魏灭赵，劝降燕国，使汉军的势力得到加强，彭城一战所造成的颓势正逐渐扭转，形势开始有利于刘邦了。
驻军荥阳后，刘邦的大军与项羽展开了拉锯战。汉军的军需用品大部分是通过河道运输的，项羽屡次率兵抢夺物资，导致汉军粮草匮乏。韩信又在远地无法支援，公元前204年，刘邦无奈之下想和项羽讲和，平分天下。项羽听从范增的建议断然拒绝，加紧攻打荥阳，想一举歼灭汉军。正面无力和项羽交锋，刘邦的部下陈平建议刘邦离间项羽和范增二人的关系，以除掉项羽身边的得力谋士。项羽有勇无谋，全靠范增在一旁指点辅佐，此次范增让他拒绝讲和正是点中了汉军的死穴，不除范增，汉军难以获胜。汉军的离间计划很成功，范增果然被项羽逼走，暴病死于途中。范增走后，项羽更加疯狂地进攻荥阳，刘邦抵挡不住，只好在部将的掩护下，轻骑逃出荥阳，进入关中地区，为再次东进攻打项羽做准备。
公元前203年，刘邦第二次出关，出兵宛、叶（今河南南阳、叶县）一带。项羽听说，便率军南下，而刘邦却只守不战，任凭楚军在城外叫嚣。此时郦食其提醒刘邦应攻打齐国，以扰乱楚军后方，把楚军的兵力分散。刘邦于是派郦食其到齐国劝降。正当郦食其的劝降计划即将成功之时，韩信征服燕国渡黄河直扑齐国而来。齐王以为郦食其劝降是假，便将其烹杀了。汉军在齐国频频告捷，于公元前203年全部平定齐国全境。韩信一连帮刘邦攻下魏、赵、燕、齐四国，一跃成为叱咤风云、威震四海的大将军，天下无人不知。项羽意识到韩信在他和刘邦之间的微妙作用：韩信在楚则项羽胜，韩信在汉则刘邦胜。于是项羽派谋人武涉劝韩信反叛刘邦。韩信感念刘邦的知遇之恩，谢绝了武涉的劝说。但他也自恃功高，向刘邦邀功请赏，刘邦不得已封他为齐王。
此时，项羽在与刘邦的正面对峙上仍略占上风，汉军无法正面抗击楚军，刘邦派兵袭击项羽后方，以调走项羽的大部兵力。轻敌的项羽留下楚军大司马曹咎留守成皋，自己率军平定后方去了。待到项羽归来，成皋又已被刘邦攻下了。汉军听说项羽到来，派部分人马留守成皋，其余则撤退到离广武不远的险要之地。项羽见成皋已在汉军手中，便率兵返回，在广武（今河南荥阳东北）驻扎下来，与汉军对峙。项羽久攻汉军未克，粮食短缺，走投无路，以烹杀刘邦父亲为要挟。
霸王别姬
公元前203年，刘邦见楚军处于弱势，自己的父亲、妻子还在项羽手中，于是派人和楚军议和平分天下。粮草不足的项羽终答应了刘邦的议和要求，并放回刘邦的父亲刘太公和妻子吕雉。项羽退回自己的地盘，刘邦也准备率兵西归。正当此时，谋士张良和陈平提醒他说：“大王不趁楚军疲惫之时消灭他们，难道要等他们来消灭你吗？现在放走他们，是养虎遗患啊！”刘邦觉得有理，便采纳了这一建议。公元前202年，刘邦集中了韩信、彭越等部下的军队与楚军在固陵（今河南太康南）会战，在汉军的三面攻击之下，疲惫不良、缺乏补给的项羽军队全线崩溃，退至垓下（今属安徽灵璧），被汉军团团围住。
项羽几次突围均未成功，士兵折损不少，军粮已所剩无几，境况十分凄惨。刘邦料定项羽已是强弩之末，无须强攻，便派人在楚营四周唱起楚歌。伤感的楚歌传遍楚军军营，那些跟随项羽渡江北上，欲轰轰烈烈干一番事业的江东子弟们，一听到家乡的歌谣，不禁思家念母，纷纷落泪，不多久楚营上下一片啜泣之声。项羽在帐营中也听到了楚歌，他回想这几年自己东征西战，威震天下，眼看霸业将成，竟被刘邦逼上绝路。感慨之下，项羽拔剑而歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞姬虞姬奈若何！”骓是项羽心爱的一匹良驹，虞姬是项羽宠爱的美人。歌罢，虞姬拔剑自刎，项羽则率领八百多名部下趁夜色突围。项羽在重围之中杀出一条血路，逃到了乌江边，但数百骑士也只有26人仍然跟随在他左右。当时江边已有楚地的小舟在接应，船夫劝项羽赶快登舟过江，回到江东再图大业。项羽自觉昔日带着八千江东子弟出来建功立业，现在只剩下他一个人，无脸再见江东父老。终，在与追击而来的汉军将士一番血战之后，项羽拔剑自刎于乌江江畔。
项羽一死，天下无人能和刘邦匹敌，刘邦很快平定各路诸侯，统一中国，建立大汉王朝，定都长安，史称西汉。汉高祖刘邦吸取秦朝二世灭亡的教训，实行轻徭薄赋、与民休息的政策，无为而治，因而经济得以迅速恢复，历史翻开了新的一页。