韓信已經打垮了齊國，派人對漢王說：“齊國靠近楚國，如果權力太小，不立為暫時代理的國王，恐怕不能安定齊地。”漢王想要攻打韓信。留侯說：“不如就此封他為王，讓他自己防守齊地。”漢王便派遣張良帶著印綬立韓信為齊王。項羽聽到龍且的軍隊戰敗了，心裏很恐懼，派盱眙人武涉前去遊說韓信。韓信不肯聽從。
楚、漢長期相持，勝負未決，年輕力壯的苦於當兵打仗，年老體弱的疲於轉運糧食。漢王、項羽一同站在廣武澗兩邊對話。項羽想跟漢王單身挑戰。漢王一一數落項羽的罪過說：“最初我和你項羽都受命於懷王，說是先入關平定關中的，就在關中做王。你項羽違背約定，讓我在蜀、漢做王，這是第一罪。你項羽假借懷王的命令，殺了卿子冠軍，而自尊為上將軍，這是第二罪。你項羽已經援救了趙地，應當返回複命，而你擅自脅迫諸侯的軍隊進入函穀關，這是第三罪。懷王約定到了秦地不要殘暴掠奪，你項羽火燒秦朝宮室，挖了始皇帝的墳墓，私自聚斂秦朝財物，這是第四罪。又硬是殺掉了秦朝投降的國王子嬰，這是第五罪。
在新安，用欺騙的手段坑殺了秦朝子弟二十萬，而封他們的將領做王，這是第六罪。你項羽讓自己的將領都在好地方做王，而遷走原來的諸侯王，使臣下爭著叛逆，這是第七罪。你項羽把義帝驅逐出彭城，自己建都彭城，奪取韓王的土地，合並梁、楚稱王，多劃給自己土地，這是第八罪。你項羽派人在江南暗殺義帝，這是第九罪。為人臣下而殺害了他的君主，屠殺已經投降的人，執政不公允，主持約定不守信用，為天下人所不容，大逆不道，這是第十罪。我帶領正義之師隨從諸侯來誅除殘暴的賊人，派受過刑的罪人殺死你項羽，我何苦與你挑戰！”
項羽大怒，埋伏的弓弩射中了漢王。漢王傷了胸部，卻摸著腳說：“這個賊人射中了我的腳趾！”漢王身受創傷，臥床不起，張良請漢王勉強起來巡行慰勞士卒，以安定軍心，不讓楚軍乘機取勝於漢。漢王出來巡視軍隊，傷勢加重，就驅車進入成皋休養。
漢王病好了，向西進入函穀關，來到櫟陽，慰問父老，設酒招待。砍了塞王司馬欣的腦袋，掛在櫟陽街市上示眾。漢王在這停了四天，又回到軍中，駐紮在廣武。關中的兵力大舉出動。
當時，彭越帶兵駐紮梁地，來來往往地騷擾楚軍，斷絕它的糧食。田橫前往依附彭越。項羽多次攻打彭越等人，齊王韓信又進攻楚軍。項羽恐懼，就與漢王約定，平分天下，割鴻溝以西歸漢，鴻溝以東歸楚。項王送回漢王的父母妻子，漢軍全都高呼萬歲，楚軍告別漢軍回到了駐地。
項羽解散兵隊東歸。漢王想要帶領士兵西還，後來采用留侯、陳平的計策，進兵追擊項羽，到達陽夏南麵收兵駐紮。與齊王韓信、建成侯彭越約定時間會合攻打楚軍。到了固陵，韓信、彭越不來會合。楚軍出擊漢軍，大敗漢軍。漢王又進入營壘，挖深了壕溝進行防守。他使用了張良的計策，於是韓信、彭越都前來會合。又有劉賈進入楚地，圍攻壽春。漢王在固陵戰敗，就派使者去召大司馬周殷，用全部的九江士卒迎接武王黥布。黥布、周殷在進軍中攻下城父，大肆屠殺。他們隨從劉賈和齊、梁的諸侯大會垓下。漢王封武王黥布為淮南王。
五年，高祖和諸侯軍隊一起攻打楚軍，與項羽在垓下決一勝負。淮陰侯率兵三十萬獨當正麵，孔將軍布兵在左麵，費將軍布兵在右麵，皇帝居後，絳侯、柴將軍跟隨在皇帝後麵。項羽的士兵大約十萬。淮陰侯首先出戰，沒有取勝，向後退兵。孔將軍、費將軍隨後出擊，楚軍不利，淮陰侯又乘勢反攻，大敗項羽於垓下。項羽的士兵聽到漢軍中的楚歌聲，以為漢軍全部占領了楚地，項羽就敗退逃跑，因此楚兵全軍潰敗。漢王派騎兵將領灌嬰追擊項羽，在東城殺了他，斬首八萬，於是平定了楚地。魯縣為楚國堅守城池，漢軍沒有攻下，漢王帶領諸侯軍北上，把項羽的頭給魯縣父老們看，魯縣才投降了。於是就用魯公的封號在穀城埋葬了項羽。漢王回到定陶，馳入齊王營壘，奪了他的軍隊。
正月，諸侯和將相一起請求尊崇漢王為皇帝。漢王說：“我聽說皇帝這一尊號，屬於有賢德的人，虛言浮語，空有其名，不是這種人所能占有的，我不敢承受皇帝之位。”群臣都說：“大王出身貧寒，誅暴討逆，平定四海，有功的就割地封王侯。大王不尊崇名號，大家對自己的封號都要疑慮，不敢信以為真。臣等誓死堅持大王尊稱皇帝。”漢王再三謙讓，迫不得已地說：“大家一定以為這樣做吉利，是因為有利於國家，我隻好做皇帝了。”甲午，在汜水北麵即皇帝位。
皇帝說：“義帝沒有後代。齊王韓信熟悉楚地風俗，遷徙為楚王，建都下邳。封建成侯彭越為梁王，建都定陶。原來的韓王信仍為韓王，建都陽翟。遷徙衡山王吳芮為長沙王，建都臨湘。番君的將領梅鋗立有戰功，跟隨進入武關，皇帝感謝番君的恩德。淮南王黥布、燕王臧荼、趙王張敖都保持舊封。”
天下基本平定。高祖建都洛陽，諸侯都成為高祖的屬臣。原來的臨江王共歡為了項羽起兵叛漢，命令盧綰、劉賈圍攻共歡，沒有攻克。幾個月後投降了，在洛陽殺了共歡。