项羽率领诸侯军队抵达关中，范增劝他趁机除掉刘邦，项羽就下令准备，要在第二天进攻。这时的刘邦在兵力上，无法和项羽带领的诸侯国军队相抗衡，他只有十万军队，项羽有兵力四十万。项羽的叔父项伯，因与张良有老交情，连夜潜入营中劝张良走，以免开战被杀。张良不愿丢下刘邦，就将消息透露给了刘邦，惊慌之下，刘邦赶忙向张良要计策，张良让刘邦赶紧去见项伯，说明自己没有野心和项羽争夺王位。刘邦依计会见项伯，说明自己并无称王野心，并与项伯约为亲家。项伯当天夜里返回军营对项羽说：“刘邦不率先攻破关中，你怎么敢进入呢？现在别人有大功劳我们反而攻打他，不道义啊，不如就善待他吧。”项羽答应了。
刘邦带着一百多名骑兵赶到项羽的驻地鸿门，当面向迎接他的项羽赔礼道歉，项羽请刘邦入内赴宴，范增在鸿门宴上，一再示意项羽发令，但项羽却犹豫不决，默然不应。范增召项庄舞剑为酒宴助兴，趁机杀掉刘邦，项伯为保护刘邦，也拔剑起舞，掩护了刘邦，使项庄的刺杀没有成功。后来，刘邦借故离开，回到了大营。
鸿门宴之后，项羽便领兵西进，进入咸阳，屠戮并烧毁秦朝宫室、杀秦王子婴。项羽不顾楚怀王熊心“先入定关中者王之”的约定，而把熊心尊为义帝，打算和各国诸侯将相自行分封，自立为西楚霸王，主持分封天下：刘邦封为汉王，领地是巴、蜀和汉中共四十一县，国都为南郑；封秦朝的降将章邯、司马欣、董翳为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。刘邦大怒，打算出兵攻打项羽，经过萧何等人的劝阻，才决定隐忍入蜀。
刘邦接受封号，领兵入汉中、并烧毁栈道，以示再也无意东出，以麻痹项羽。齐国贵族后裔田荣不满分封，赶走齐王田都，杀胶东王田巿，自立为齐王。刘邦乘机挥军东出，拜韩信为大将，重返关中，很快击败章邯。刘邦迫降司马欣、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。最终则陷入齐地泥潭无法抽身，给了刘邦绝佳的机会。
刘邦在基本平定三秦后，准备东出与项羽争天下，他出关到陕，慰问那里的父老。刘邦率军从临晋渡河，魏王豹领兵跟随，很快攻下河内，俘虏殷王司马卬，置河内郡，南渡平阴津到雒阳，降河南王申阳。这时有新城三老董公等，挡在刘邦马前诉说义帝的死亡经过，汉王听后，大哭一场，遂为义帝发丧，举哀三日。然后向各诸侯王发布项羽大逆无道的罪状，并发动关内兵员，收编三河将士，号召各诸侯王率兵与自己，一起讨伐项羽为义帝报仇，从而正式拉开了楚汉战争的序幕。
刘邦乘项羽在齐国停留的机会，率领诸侯联军56万，一举攻占彭城。短暂的胜利让刘邦失去理智，天天与诸侯们喝酒庆祝。项羽闻之，急率轻骑兵3万奔袭，联军被杀十万，溺水淹死十万，刘邦仅率数十骑逃脱，反楚联盟瓦解。
刘邦到达荥阳，一路收集败兵，并派韩信于萧索之间击败了楚追兵，得以喘息，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。章邯兵败自杀，刘邦解除了后顾之忧，且在逃往荥阳前便派人说服英布反楚，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。
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，为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛、叶，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，项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。
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、外黄等地，再次迫使项羽回救。刘邦用计再次收复成皋，斩杀了项羽大将曹咎，项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武与刘邦形成对峙。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。
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，两军战于固陵，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。刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计70万人，与10万久战疲劳的楚军于垓下展开决战。
汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军先诈败，信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后部步军。楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑士分割两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中，后楚军退入壁垒坚守，被汉军重重包围，楚军兵疲食尽。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“人心都向楚，天下已属刘，韩信屯垓下，要斩霸王头！”。致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解。
项羽只率800人突围至乌江，身边只剩下28骑，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝，项羽带着28骑大战汉军，最后全军覆没，项羽不愿被俘受辱，在乌江自刭而死。刘邦于是还至定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳。
刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为越王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就按你们说的办吧。”刘邦在山东定陶汜水之阳举行登基大典，定国号为汉，即皇帝位后，初都洛阳，一个月后迁栎阳，不久正式定都长安，开基肇始，史称西汉。
刘邦在洛阳的南宫开庆功宴，宴席上总结了自己取胜的原因：“论运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我不如张良；论抚慰百姓供应粮草，我又不如萧何；论领兵百万，决战沙场，百战百胜，我不如韩信。可是，我能做到知人善用，发挥他们的才干，这才是我们取胜的真正原因。至于项羽，他只有范增一个人可用，但又对他猜疑，这是他最后失败的原因。”刘邦的总结确实说对了，战争的胜败，人的因素总是最重要的。
后来，刘邦迁都长安是因为一个叫娄敬的士卒的提醒，娄敬从山东赶来见刘邦，说刘邦得天下和先前的周朝不一样，所以不应该像周朝那样以洛阳为都城，应该到关中定都，这样便可以在秦地固守险地，国家才能长治久安。张良同意娄敬的建议，他说关中是“金城千里，天府之国”，退可守，攻可出，刘邦听了表示同意，很快将都城迁到了长安。
刘邦虽然做了皇帝，但他也没有敢对自己的皇位掉以轻心，在设盛宴招待英布等大臣时，曾经对在场的父亲夸耀说：“原先您老经常说我是个不干活不读书的无赖，没有二哥能理家治业。如今我做了皇帝，您看现在是二哥的财富多，还是我的财富多呢？”在享受的同时他也采取措施对皇权的巩固：第一个让他不放心的就是在各地的异姓王，他们都有兵将，有的还有三心二意；第二个问题就是其他将领，为功劳大小和赏赐的多少争斗不止，如果安抚不当，就会投奔那些异姓王作乱。还有原先六国的后代也不能掉以轻心。在中央，丞相的权力对他这个皇帝也构成了威胁。刘邦从做了皇帝，到最后病死，中间有八年时间，基本上都用在了解决这些让他不放心的问题。
有人告发韩信谋反，刘邦问怎么办，大家说发兵讨伐，但陈平却反对，他说楚国兵精粮足，韩信又善于用兵，发兵很难取胜，他建议刘邦以巡游云梦为借口，让各诸侯王都到陈县，到那时韩信一定会来，然后再抓他问罪。刘邦依计行事，果然将韩信抓住了，韩信听到对他的指控，大声喊冤：“古人说的果然不错：‘狡兔死，良狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’现在天下已经平定，我这样的人也早就该烹杀了。”刘邦将韩信押到了洛阳，但又没有明确的证据，便释放了他，但降成了淮阴侯，这使韩信怀恨在心。
韩信谋划让陈豨在外地反叛，使刘邦亲自前去平叛，然后自己在都城袭击太子和吕后，但还是事情败露。吕后采用了萧何的主意，将韩信诱骗入宫抓捕，最后在长乐宫斩首，留下一个“成也萧何，败也萧何”的成语，除了韩信，其他诸侯王如彭越等人也被消灭，只剩下了长沙王吴芮。
刘邦分封了萧何等二十余人官职，但众将领因为互不服气，争功不止，刘邦就没有封官。一次，在洛阳南宫，刘邦看见众将坐在沙地上不知在说什么，问身边的张良怎么回事，张良说他们在谋反。刘邦问为什么，张良说怕他以后不会封他们高官。刘邦又问怎么办，张良就问他最恨的人是谁，刘邦说是雍齿，因为他虽然功劳多，但太张狂，自己曾经想将他杀掉。张良听了就让他封雍齿为侯，这样，大家就觉得被刘邦记恨的雍齿都能受封，他们就更不用着急了。
刘邦大摆庆功宴，封雍齿为什方侯，还当场命丞相和御史抓紧时间草拟论功行赏分封的名单，张良的计策果然奏效，众将的心都安定了。对于六国的后裔，刘邦则将他们和地方的名门望族共十几万人全部迁到关中居住，置于中央控制之下，消除了后顾之忧。
关于丞相的过大权力，刘邦通过把萧何下狱来打击削弱相权，在刘邦平定了黥布叛乱回到长安后，萧何提议把上林苑开放，让百姓去耕种，因为上林苑基本上已经荒芜，并不是养兽供皇帝狩猎的地方。刘邦一听就恼了，硬说萧何拿了商人的贿赂，所以才替他们说话，借百姓之名为商人牟利。刘邦将萧何关进了监狱，几天后，有大臣问丞相犯了什么罪，刘邦却为自己狡辩说：“原先李斯做秦国的丞相，凡是功劳都归始皇，不好的事都由自己承担。但现在丞相萧何却接受了商人的贿赂，替他们求我开放上林苑，刁买人心。因此要治他的罪。”通过打击元老功臣萧何，刘邦在削弱相权的同时将皇帝的权力提高了。
在巩固强化皇权方面，刘邦也是想尽了办法，一是通过尊父亲太公为太上皇，二是通过对季布和丁公的处理。这两件事最终达到了他的目的。在经历了春秋和战国长期的混乱之后，又经历了短期的秦朝统治，再加上秦末战争，这使得人们心中没有忠君的观念，还保持着战国以来就形成的“士无常君，国无定臣”的思想，这不利于皇权的巩固。刘邦通过尊重父亲来教育大臣和百姓遵循礼法，尊重长辈，效忠君主。
刘邦和父亲刘太公在一起住，为了向大家表示他孝顺，每五天就去拜见一次。太公觉得没什么，也习惯了，但太公的属官却觉得不合适，就劝他说：“俗话说，天无二日，地无二主，当今皇帝是您的儿子，但他也是人主。您虽是他的父亲，但也是他的大臣。让他这个主人拜见您这个大臣，不合礼仪。况且这样也显不出皇帝的威严。”等刘邦再拜见父亲时，太公就提前拿着扫帚出门相迎，然后倒退着进屋，不给刘邦行礼的机会。刘邦很吃惊，跳下车去搀扶父亲，太公赶忙说：“皇帝贵为人主，不能因为我一个人破坏了国家的礼法。”刘邦便下诏书，尊太公为太上皇，这样一举两得，不但明示了皇帝的尊严，他也可以顺理成章地拜见父亲了。
对同母异父兄弟季布和丁公的处理，在刘邦和项羽争天下时，他们两都是项羽手下的大将。季布领兵几次将刘邦打败，丁公也领兵追击过刘邦，但最后放过了他。刘邦做皇帝后，记恨季布打败过自己，就把他抓了起来。但想到自己也需要他这样的忠臣来辅佐，就不再记仇，不但放了他，还封为郎中。丁公听说了，就觉得连季布这样给过刘邦难堪的人都能释放做官，他这个曾对刘邦有恩的人就更不用说了。没想到，他却被刘邦抓起来。刘邦对众人说：“丁公做项籍的将领时不忠，就是他这种人使项王丧失了天下。”刘邦下令处死了丁公，还在军中示众，警示大家要做忠臣，不要学丁公。
刘邦以文治理天下，征用儒生，诏令天下，广泛求贤。在政治上，接承秦朝的中央集权制和郡县制，废除了秦朝的苛刻法律刑法。刘邦攻入咸阳之时，便立即废除秦朝的苛法。与民约法三章，封存府库，对百姓秋毫无犯，深得民心。在平定天下后，刘邦命萧何参照秦朝法律“取其宜于时者，作律九章”，即“汉律九章”。
在战国时期李悝所制订的《法经》六篇（盗法、贼法、网法、捕法、杂法、具法）基础上补充了户律、兴律和厩律，一般所说的汉律就是指《九章律》。重用叔孙通整理朝纲，叔孙通制定了一套适合当时形势需要的政治礼仪制度，撰写了《汉仪十二篇》、《汉礼度》、《律令傍章十八篇》等仪法法令方面的专著，为汉朝的建立和巩固起了重要作用，也为后人留下了一笔宝贵的文化遗产。
在法律思想上，以儒家思想为主，以法家思想为辅，取消秦朝“严刑峻罚”的做法，废除连坐法及夷三族，提出了“德主刑辅”。即以教化为主，刑罚为辅，达到宽柔相济，严松相当的统治效果。
在经济上，刘邦废除秦朝苛法、豁免其徭役减轻人民的负担，如减轻田租，什五税一，“与民休息”，释放奴婢，凡民以饥饿自卖为奴婢者，皆免为庶人，解放生产力，“兵皆罢归家”“以功劳行田宅”让士兵复员归家，给予他们土地及住宅，使他们从事生产劳作，迅速恢复提高国民经济。同时鼓励生育，扩大劳动力。同时大力发展农业，抑制打击唯利是图的商人及残余的奴隶主阶级。刘邦还接受娄敬的强干弱枝的建议，把关东六国的强宗大族和豪杰名家10余万口迁徙到关中定居。刘邦使百姓得以生息，民心得以凝聚，国家得以巩固。
在发展文化事业方面，刘邦建立规模宏大的“国家图书馆”天禄阁、石渠阁等。“天下既定，命萧何次律令，韩信申军法，张苍定章程，叔孙通制礼仪，陆贾造《新语》。又与功臣剖符作誓，丹书铁契，金匮石室，藏之宗庙。虽日不暇给，规摹弘远矣。”
可以说在汉初制订的国政，不仅使饱受战乱的国家，得以休养生息，还开创了以后“文景之治”的富裕，与奠定了汉武反击匈奴的坚实基础。
