這時，趙將司馬卬正要渡過黃河進入函穀關，沛公就北進攻打平陰，切斷黃河渡口。向南進發，在雒陽東麵交戰。戰鬥不順，沛公回到陽城，集中軍中的騎兵，與南陽郡郡守戰於犫，打敗了軍。攻取南陽郡的城邑，南陽郡郡守逃走，退守宛縣。沛公引兵繞過宛城西進。張良進諫說：“沛公你雖然急於打入函穀關，但秦兵還很多，又據守險要。如今不拿下宛城，宛城守軍從背後攻擊，強大的秦軍在前麵阻擋，這是一種危險的戰術。”於是沛公就在夜間率兵從另外一條道路返回，更換了旗幟。
天亮時，他就把宛城包圍了三層。南陽郡郡守想要自殺。他的舍人陳恢說：“死的還早。”他就翻過牆去見沛公，說：“我聽說閣下接受楚懷王的約定，先攻入鹹陽的稱王關中。現在閣下停留守在宛城。宛城是大郡的治所，連城數十，口多糧足，官吏和民眾認為投降肯定被處死，所以都登城固守。如果足下整天地留在這裏攻城，士卒死傷的一定很多；如果引兵離開宛城，宛城守軍自然跟蹤追擊。足下向前則失去先入鹹陽的約定，後退又有強大的宛城守軍為患。為足下設想，不如明約招降，封南陽郡守官爵，讓他留守，足下帶領宛城士卒一道西進。許多沒有攻下的城邑，聽到這個消息，爭先打開城門，等待足下，足下可以通行無阻。”沛公說：“好。”就以南陽郡守為殷侯，封給陳恢一千戶。引兵西進，沒有不降服的。到達丹水，高武侯鰓、襄侯王陵在西陵投降。回軍攻打胡陽，遇到番君的別將梅鋗，與他一起，迫使析縣、酈縣投降。沛公派遣魏人寧昌出使秦關中，使者沒有回來。這時章邯已經帶領全軍在趙地投降項羽。
起初，項羽和宋義北進援救趙，等到項羽殺死宋義，代替他為上將軍，許多將領和黥布都從屬項羽。打垮了秦將王離的軍隊，使章邯投降，諸侯都歸附了他。等到趙高已經殺了秦二世，派人來見沛公，想要定下約定瓜分關中稱王。沛公以為是詐騙，就采用張良的計策，派酈生、陸賈去遊說秦軍將領，用甜頭引誘，趁機襲擊武關，攻破關口。同時他又和秦軍在藍田南麵交戰，增設疑兵，多樹旗幟，所經過的地方不許擄掠。秦國的群眾很高興，秦軍懈怠了，因此大破秦軍。又在藍田北麵接戰，再次打敗秦軍。乘勝追擊，徹底打垮了秦軍。
漢元年十月，沛公的軍隊先於各路諸侯到達霸上。秦王子嬰素車白馬，用絲帶係著脖子，封了皇帝的印璽和符節，在軹道旁投降。將領們有的主張殺死秦王。沛公說：“當初楚懷王派遣我，就是因為我能寬大容人。況且人家已經降服，又殺死人家，不吉利。”於是就把秦王交給了官吏，向西進入鹹陽。沛公想要留在宮殿中休息，樊噲、張良勸說後，才封閉了秦宮的貴重珍寶、財物和庫房，把軍隊駐紮在霸上。
沛公召集各縣的父老、豪傑說：“父老們苦於秦朝的嚴刑峻法已經很久了，誹謗朝政的要滅族，相聚議論的要在街市上處斬。我和諸侯們約定，先入關的在關中稱王，我應當稱王關中。同父老們約定，法律隻有三章：殺人的處死，傷人和搶劫的處以與同犯罪相當的刑罰。其餘的秦朝法律全都廢除。官吏和百姓都要安居如故。我所以到這裏來，是為父老們除害，不會有欺淩暴虐的行為，不要害怕。我所以回軍霸上，是等待諸侯們到來製定共同遵守的紀律。”沛公派人與秦朝官吏在縣城鄉間巡行，告諭百姓。秦地的百姓大為高興，爭先恐後地拿出牛羊酒食款待士兵。沛公又謙讓不肯接愛，說：“倉庫的穀子很多，不缺乏，不願讓百姓破費。”百姓更加高興，惟恐沛公不做秦王。
有人勸沛公說：“秦地比天下富足十倍，地勢好。如今聽說章邯投降了項羽，項羽就給了雍王的封號，在關中稱王。現在即將來到關中就國，你沛公恐怕不能占有這個地方了。應趕快派兵把守函穀關，不讓諸侯軍進來，逐漸征集關中兵，以加強實力，抵抗諸侯兵。”沛公讚成他的計策，照著做了。
十一月間，項羽果然率領諸侯軍西進，想要入關，而關門閉著。聽說沛公已經平定關中，項羽大怒，派黥布等攻破了函穀關。十二月間，就到了戲水。沛公左司馬曹無傷聽說項王發怒，要攻打沛公，派人告訴項羽說：“沛公想要稱王關中，令子嬰為相，珍寶被他全部占有了。”打算以此求得封賞。亞父勸項羽進攻沛公。當時項羽飽餐士卒，準備明日會戰。這時項羽兵四十萬，號稱百萬。沛公兵十萬，號稱二十萬，兵力敵不過項羽。恰巧項伯要救張良，夜間去見他。（回來後，）用道理勸說項羽，項羽取消了進攻沛公的計劃。沛公帶來了一百多騎兵，飛奔至鴻門，來見項羽，表示歉意。項羽說：“這是你沛公左司馬曹無傷向我說的。不然，我項羽何至於做這樣的事。”沛公因為樊噲、張良的緣故，得以脫身返回。回來後，他立刻殺了曹無傷。
項羽向西進軍，屠殺無辜，焚毀鹹陽秦宮室，所過之處，無不遭到摧殘破壞。秦地的百姓大失所望，然而心裏恐懼，對他不敢不服從。
項羽派人回去報告楚懷王，楚懷王說：“按照原來的約定辦。”項羽怨恨楚懷王不肯讓他與沛公一起西進入關，而派他北上救趙，在天下諸侯爭奪稱王關中的約定中落在後麵。他就說：“懷王，是我家項梁所立，沒有什麼功勞，憑什麼主持約定。本來安定天下的，是諸位將領和我項籍。”就假意推尊楚懷王為義帝，實際上不聽從他的命令。