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，稱王於關中。現在即將來到關中就國，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，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。聽說沛公已平定關中，大怒，派黥布等攻破函穀關。十二月間，到達戲水。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，準備第二天會戰。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，馳至鴻門，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，我項羽怎麼能做這樣的事。”後來沛公在樊噲的幫助下，得以脫身返回。回來後，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，心裏恐懼，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：“懷王這個人，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，事實上不聽從他的命令。
正月，項羽自立西楚霸王，在梁、楚地區的九個郡稱王，建都彭城。背棄原來的約定，改立沛公為漢王，在巴、蜀、漢中稱王，建都南鄭，把關中瓜分為三，封立秦朝的三個將領：章邯為雍王，建都廢丘，司馬欣為塞王，建都櫟陽，董翳為翟王，建都高奴。封楚將瑕丘申為河南王，建都洛陽。封趙將司馬為殷王，建都朝歌。趙王歇遷徙代地稱王。封趙將張耳為常山王，建都襄國。封當陽君黥布為九江王，都六縣。封楚懷王柱國共敖為臨江王，建都江陵。封番君吳芮為衡山王，建都邾縣。封燕將臧荼為燕王，建都薊縣。原來的燕王韓廣遷徙遼東稱王。韓廣不服從，臧荼攻殺韓廣於無終。封成安君陳餘河間三縣，住在南皮。封給梅十萬戶。四月，在項羽旄麾之下罷兵散歸，諸侯各自回到封國。
漢王回國，項王派兵三萬跟隨，楚國和其他諸侯國的士卒仰慕漢王而追從的有幾萬人。他們從杜縣南麵進入蝕中，離開後就燒斷棧道，以防備諸侯軍和匪徒的襲擊，也向項羽表明沒有東進的意圖。到達南鄭，那些將領和士卒很多在中途逃亡回去，士卒都唱歌表示思念回到東方。韓信勸漢王說：“項羽封諸將有功的為王，而大王獨自被封在南鄭，這實際上是貶徙。軍中官吏和士卒都是崤山以東的人，日夜跋踵盼望回家鄉。乘他們氣勢旺盛時加以利用，可以建立功業，等到天下已經平定，人人都自然安下心來，就不能再利用了。不如向東進軍，爭奪天下大權。”
項羽出了函穀關，派人遷徙義帝。說：“古代做帝王的統轄千裏見方的土地，必須居住上遊。”就派使者把義帝遷徙到長沙郴縣，催促義帝快走。群臣漸漸地背叛了義帝，項羽就暗地裏讓衡山王、臨江王襲擊他，把義帝殺死在江南。項羽怨恨田榮，封齊將田都為齊王。田榮惱怒，於是自立為齊王，殺死田都，反叛項楚，把將軍印給予彭越，讓他在梁地起兵反楚。楚派蕭公角攻打彭越，彭越大敗蕭公角。陳餘怨恨項羽不封自己為王，派夏說遊說田榮，借兵攻打張耳。齊借兵給陳餘，擊敗了常山王張耳，張耳逃跑歸附了漢王。陳餘從代接回趙王歇，又立為趙王，趙王就封陳餘為代王。項羽大怒，出兵北向擊齊。
八月，漢王用韓信的計策，從故道回軍，襲擊雍王章邯。章邯在陳倉迎擊漢軍，雍王兵敗退走，在好畤停下來接戰，又失敗了，逃到廢丘。漢王隨即平定了雍地。向東到達鹹陽，率軍圍困雍王於廢丘，而派遣將領攻占了隴西、北地、上郡。派將軍薛歐、王吸出武關，借助王陵駐紮在南陽的兵力，迎接太公、呂後於沛縣。楚聽到這一消息，出兵在陽夏阻擋，漢軍不能前進。楚讓原吳縣縣令鄭昌為韓王，抵抗漢軍。
二年，漢王東出略取城邑，塞王司馬欣、翟王董翳、河南王申陽都投降了。韓王鄭昌不願歸附，漢王派韓信打敗了他。於是設置了隴西、北地、上郡、渭南、河上、中地各郡，關外設置了河南郡。改立韓太尉信為韓王。將領中以一萬人或一郡投降的，封給一萬戶。整修河上郡內的長城。各處原來的秦朝苑囿園池，都讓百姓開墾耕種。正月，俘虜了雍王的弟弟章平。大赦有罪的人。
漢王出函穀關到達陝縣，撫慰關外父老，回來後，張耳來見，漢王給了他優厚的待遇。
二月，下令廢掉秦社稷，改立漢社稷。三月，漢王從臨晉關渡過黃河，魏王豹率兵跟從，攻下河內，俘虜殷王，設置河內郡。向南渡過平陰津，到達洛陽。新城三老董公攔住漢王，用義帝死這件事遊說漢王。漢王聽了，袒臂大哭，為義帝發喪，哭吊三天。派遣使者通告諸侯說：“天下共同擁立義帝，對他北麵稱臣。現在項羽把義帝放逐，擊殺於江南，大逆無道。我親自為他發喪，諸侯都要穿白色喪服。全部調發關內的兵力，征集三河的士卒，浮江漢南下，願意跟隨各諸侯王討伐楚國殺害義帝的人。”
當時項王北進攻打齊國，田榮在城陽交戰。田榮兵敗，逃到平原，平原的百姓殺了他，齊地都投降了楚國。楚兵焚燒齊人的城郭，擄掠他們的子弟和女人，齊人又反叛楚國。田榮的弟弟田橫立田榮的兒子田廣為齊王，齊王在城陽反楚。項羽雖然聞知漢軍東進，但既然已與齊軍交戰，就想擊垮齊軍之後迎擊漢軍。漢王利用這個機會劫取了五諸侯的兵力，進入彭城。項羽聽到這一消息，就帶兵離開齊，由魯地出胡陵，抵達蕭縣，與漢軍在彭城靈壁東麵的睢水上激戰，大敗漢軍，殺死了很多士卒，由於屍體的堵塞，睢水都不能流動了。楚軍從沛縣擄取了漢王的父母妻子，放在軍中作為人質。這個時候，諸侯看到楚軍強盛，漢軍敗退，又都離漢歸楚。塞王司馬欣也逃到楚國。
呂後的哥哥周呂侯為漢帶領一支軍隊，駐紮在下邑。漢王到他那裏，漸漸收集士卒，駐軍於碭縣。漢王西行經過梁地，到了虞縣，派謁者隨何到九江王黥布那裏，漢王說：“你能讓黥布舉兵叛楚，項羽必定留下來攻打他。如能滯留幾個月，我一定可以取得天下。”隨何去說服九江王黥布，黥布果然背叛楚國，楚國派龍且去攻打他。
漢王兵敗彭城向西撤退，行軍中派人尋求家屬，家屬也逃走了，互相沒有碰見。戰敗後就隻找到了孝惠帝，六月，立他為太子，大赦罪人。命令太子駐守櫟陽，諸侯國人在關中的都集中在櫟陽守衛。引水灌廢丘，廢丘投降，章邯自殺。把廢丘改名為槐裏。於是命令祠官祭祀天、地、四方、上帝、山川，以後按時致祭。征發關內士卒登城守衛邊塞。
這時九江王黥布與龍且作戰，沒有取勝，和隨何潛行歸漢。漢王漸漸地征集了一些士卒加上各路將領和關中兵的增援，因此軍勢大振，在京、索之間擊破了楚軍。
三年，魏王豹請假回去省視父母的疾病，到了魏地就斷絕了黃河渡口，叛漢歸楚。漢王使酈生勸說魏豹，魏豹不聽。漢王派遣將軍韓信進攻魏豹，大破魏軍，俘虜了魏豹，於是平定了魏地，設置了三個郡，名叫河東、太原、上黨。漢王命令張耳和韓信向東攻下井陘，進擊趙地，殺了陳餘、趙王歇。第二年，封張耳為趙王。
漢王駐軍在滎陽南麵，修築甬道與黃河相連，以便取用敖倉的糧食。與項羽對峙了一年多。項羽多次奪取了漢軍甬道，漢軍缺少糧食，項羽於是圍攻漢王。漢王請求講和，劃分滎陽以西的土地歸漢。項王沒有同意。漢王憂慮，就采取陳平的計策，給陳平黃金四萬斤，離間楚國君臣。於是項羽對亞父產生了懷疑。亞父這時勸項羽乘勢攻下滎陽，等到他知道已被懷疑，就很生氣，推托自己年老，要求引退，回家鄉當老百姓。項羽答應，亞父沒有到達彭城就死了。
漢軍絕糧後，就在夜間從東門放出女子二千多人，披戴鎧甲，楚軍便四麵圍擊。將軍紀信乘坐漢王的車駕，偽裝成漢王，欺騙楚軍。楚軍都高呼萬歲，爭赴城東觀看，因此漢王能夠與幾十騎兵出西門潛逃。漢王命令禦史大夫周苛、魏豹、樅公留守滎陽，將領和士卒不能隨從的，都留在城中，周苛、樅公商量說：“魏豹這個叛國之王，和他共守城池很難。”於是殺死了魏豹。
漢王逃出滎陽進入函穀關，收集士卒，想再次東進。袁生勸漢王說：“漢楚在滎陽相持了幾年，漢軍常處於困境，希望君王從武關出去，項羽肯定引兵向南行進，君王深溝高壘，讓滎陽、成皋之間得到休息。派韓信等安輯黃河以北的趙地，聯合燕、齊，君再赴滎陽，也為時不晚。這樣，楚軍多方設防，軍力分散，漢軍得到休整，再與楚軍作戰，一定可以打破楚軍了。”漢軍采納了他的計策，出兵宛縣、葉縣之間，與黥布在進軍中收集兵馬。
項羽聽說漢王在宛縣，果然帶兵南下。漢王堅壁固守，不和他交戰。這時彭越渡過睢水，與項聲、薛公戰於下邳，彭越大敗楚軍。於是項羽率軍向東攻打彭越，漢王也引兵向北駐軍成皋。項羽已經取勝，趕走了彭越，得知漢軍又駐紮在成皋，就又領兵西進，攻克滎陽，殺了周苛、樅公，俘虜了韓王信，於是進圍成皋。
漢王逃亡，單身一人與滕公同乘一輛車出了成皋玉門，向北渡過黃河，馳至修武住了一夜。自稱為使者，早晨馳入張耳、韓信的營中，奪取他們的軍隊，就派張耳去北邊趙地更多的收集兵力，派韓信東進攻齊。漢王得到韓信的軍隊，軍威再振。率軍來到黃河岸邊，向南進發，在小修武南麵讓士卒吃飽喝足，打算與項羽再一次交戰。郎中鄭忠勸阻漢王，讓他深溝高壘，不要和項羽交鋒。漢王采用了鄭忠的計策，派盧綰、劉賈率兵兩萬人，幾百個騎士，渡過白馬津，進入楚地，與彭越在燕縣城西又打敗了楚軍，隨後又攻下梁地十多座城邑。
淮陰侯接受命令向東進軍，在平原沒有渡過黃河。漢王派酈生去說服齊王田廣，田廣叛楚，與漢講和，一起攻打項羽。韓信采用蒯通的計策，突然襲擊，打敗了齊國。齊王烹殺了酈生，向東逃到高密。項羽聽到韓信已經全部利用黃河以北的兵力打垮了齊、趙，而且要攻打楚軍，就派龍且、周蘭前去阻擊。韓信與楚交戰，騎兵將領灌嬰配合出擊，大敗楚軍，殺了龍且。齊王田廣投奔彭越。此時，彭越領兵駐紮梁地，往來騷擾楚軍，斷絕它的糧食。
四年，項羽對海春侯大司馬曹咎說：“謹慎防守成皋。如果漢軍挑戰，千萬小心，不要應戰，隻要阻止漢軍東進就行了。我十五天一定平定梁地，再與將軍會合。”於是就進軍攻打陳留、外黃、睢陽，都拿了下來。漢軍果然屢次向楚軍挑戰，楚軍不肯出戰。漢軍派人辱罵了五六天楚軍，大司馬十分氣憤，讓士卒渡過汜水。士卒渡過一半，漢軍出擊，大敗楚軍，全部繳獲楚國的金玉財寶。大司馬曹咎、長史司馬欣都自刎在汜水上。項羽到達睢陽，聽到海春侯兵敗，就帶兵返回。漢軍正在滎陽東麵圍攻鍾離，項羽一到，全部撤走到險阻地帶。
韓信打垮齊國之後，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。漢王曆數項羽的罪過說；“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。違背約定，讓我在蜀、漢做王，這是第一罪。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。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，火燒秦朝宮室，挖掘始皇帝的墳墓，私聚秦朝財物，這是第四罪。殺掉了秦朝投降的國王子嬰，這是第五罪。在新安，用欺騙的手段坑殺秦朝子弟二十萬，而封他們的將領做王，這是第六罪。讓自己的將領都在好地方做王，而遷走原來的諸侯王，使臣下爭為叛逆，這是第七罪。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。派人在江南暗殺義帝，這是第九罪。為人臣下而殺害君主，屠殺已降之人，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。漢王胸部受傷，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。
漢王病愈，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。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，漢軍高呼萬歲，楚軍告別漢軍回到了駐地。