項羽解兵東歸。漢王想要領兵西還，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，深挖壕溝進行防守。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。淮陰侯首先會戰，沒有取勝，向後退卻。孔將軍、費將軍縱兵出擊，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，不能占有，我不敢承受皇帝之位。”群臣都說：“大王起於貧寒，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。”
於是，天下基本平定。高祖建都洛陽，諸侯都成為高祖的屬臣。原來的臨江王共為了項羽起兵叛漢，命令盧綰、劉賈圍攻共，沒有攻克。幾個月後投降了，在洛陽殺了共。
五月，士卒都解甲回家。諸侯國的士卒留在關中的免除徭役十二年，那些回家鄉的免除徭役六年，發給糧食供養一年。
高祖在洛陽南宮擺設酒席。高祖說：“各位諸侯和將領不要隱瞞我，都要說心裏話。我所以能夠得到天下是什麼原因？項氏所以失去天下是什麼原因？”高起、王陵回答說：“陛下傲慢而侮辱人，項羽仁慈而愛護人。然而陛下派人攻城略地，所招降攻占的地方就封給他，與天下人利益相共。項羽嫉賢妒能，陷害功臣、懷疑賢能，打了勝仗而不論功行賞，取得了土地而不與分利，這就是失去天下的原因。”高祖說：“你們知其一，不知其二。說到那在帷帳中運籌劃策、決勝於千裏之外，我不如子房。鎮守國家，安撫百姓，供給軍糧，暢通糧道，我不如蕭何。連兵百萬，戰必勝，攻必克，我不如韓信。這三個人，都是人中俊傑，我能任用他們，這是我所以取得天下的原因。項羽有一個範增卻不能任用，這是他所以被我擒殺的原因。”
高祖想長期建都洛陽，齊人劉敬勸阻高祖，等到留侯說服高祖入都關中，當天高祖命駕起身，進入關中建都。六月，大赦天下。
十月，燕王臧荼反叛，攻下代地。高祖親自統率軍隊攻打他，擒獲燕王臧荼，隨即立太尉盧綰為燕王。派丞相樊噲領兵攻代。這年秋天，利幾反叛，高祖親自帶兵攻打他，利幾逃走了。利幾這個人，是項氏的將領。項氏失敗時，利幾為陳縣縣令，沒有跟隨項羽，逃走投降了高祖，高祖封他在潁川為侯。高祖到達洛陽，根據全部通侯名籍遍召通侯，利幾也被召。利幾很慌懼，因此起兵反叛。
六年，高祖五天朝見一次太公，跪拜如同一般百姓的父子禮節。太公家令勸誡太公說：“天無二日，地無二主，如今高祖雖然是你的兒子，但他是萬民的君主；太公雖然是高祖的父親，但屬於臣下。怎麼能讓君主拜見臣下！這樣，就使君主失去了威嚴和尊貴。”後來高祖朝拜太公，太公抱著掃帚，在門口迎接，倒退著行走。高祖大驚，下車攙扶太公。太公說：“皇帝是萬民的君主，怎麼能因為我的緣故破壞了天下的法紀！”於是高祖就尊奉太公為太上皇。高祖內心讚美家令的話，賞賜給他黃金五百斤。
十二月，有人上書告發楚王韓信謀反。高祖詢問左右大臣，大臣們爭著要去攻打韓信。高祖采用陳平的計策，假裝巡遊雲夢澤，在陳縣會見諸侯，楚王韓信去迎接，就乘機逮捕了他。這一天，大赦天下。田肯來祝賀。就勸高祖說：“陛下抓到韓信，又建都秦中。秦地是地理形勢優越的地方，有阻山帶河之險，與諸侯國懸隔千裏，持戟武士一百萬，秦比其他地方好上一百倍。地勢便利，從這裏出兵諸侯，猶如高屋建瓴。要說那齊地，東有琅邪、即墨的富饒，南有泰山的險固，西有濁河這一天然界限，北有渤海魚鹽之利，地方二千裏，持戟武士一百萬，與各諸侯國懸隔千裏之外，齊比其他地方好上十倍。所以這兩個地方是東秦和西秦。不是陛下的親子弟，不要派他在齊地做王。”高祖說：“好。”賞賜黃金五百斤。後來十多天，封韓信為淮陰侯，把他的封地分作兩個國。高祖說將軍劉賈屢建戰功，封為荊王，稱王淮東。弟弟劉交為楚王，稱王淮西。兒子劉肥為齊王，封給七十餘城，百姓中能講齊地語言的都歸屬齊國。高祖論定功勞大小，與列侯剖符為信，封侯食邑。把韓王信遷徙到太原。
七年，匈奴在馬邑攻打韓王信，韓王信就與匈奴在太原謀反。白土曼丘臣、王黃立原來的趙國將領趙利為王，反叛漢朝，高祖親自前往討伐。正遇上天氣寒冷，士卒十人中有兩三個都凍掉了手指頭，終於到達了平城。匈奴在平城圍困高祖，七天之後才撤兵離去。命令樊噲留下來平定代地。立哥哥劉仲為代王。
二月，高祖從平城經過趙地、洛陽，到了長安。長樂宮已經建成，丞相以下遷到新都長安。
八年，高祖率軍東進，在東垣攻打韓王信的殘餘叛賊。蕭丞相修築未央宮，建立東闕、北闕、前殿、武庫、太倉。高祖回來，看見宮闕壯麗，非常生氣，對蕭何說：“天下喧擾不安，苦戰數年，成敗尚未可知，現在為什麼要修建宮室豪華過度呢？”蕭何說：“正是因為天下沒有安定，所以才乘這個時機建成宮室。況且天子以四海為家，宮室不壯觀華麗，就不足以顯示天子的尊貴和威嚴，並且也是為了不讓後世的宮室超過。”於是高祖高興了。高祖去東垣，經過柏人，趙相貫高等謀殺高祖，高祖心動異常，因而沒有在柏人停留。代王劉仲棄國逃跑，自己回到洛陽，被廢為合陽侯。
九年，趙相貫高等策劃謀殺高祖的事，處死了他們的三族。廢趙王張敖為宣平侯。是年，把楚國貴族昭氏、屈氏、景氏、懷氏和齊國貴族田氏遷徙到關中。
未央宮建成後，高祖大朝諸侯和群臣，在未央宮前殿擺設酒宴。高祖手捧玉製酒杯，起身給太上皇祝壽，說：“當初大人常常認為我是無以謀生的二流子，料理不了產業，不如仲勤勞。如今我成就的事業與仲相比，誰的多呢？”殿上群臣都高呼萬歲，大笑取樂。
十年十月，淮南王黥布、梁王彭越、燕王盧綰、荊王劉賈、楚王劉交、齊王劉肥、長沙王吳芮都來長樂宮朝見。春夏無事。
七月，太上皇崩於櫟陽宮，楚王、梁王都來送葬。赦免櫟陽的囚犯。酈邑改名新豐。八月，趙相國陳反叛。高祖說：“陳曾經做過我的使者，遵守信用。代地是我所看重的地方，因此封陳為列侯，以相國名義守衛代地，如今竟和王黃等劫掠代地。代地的官吏和百姓並非有罪。赦免代地的吏民。”九月，高祖親自攻打陳。到達邯鄲，高祖高興地說：“陳不南去據守邯鄲，而憑借漳水為陣，我知道他沒有本事的。”聽說陳的將領都是過去的商人，高祖說：“我知道該如何對付他們了。”於是就用黃金引誘陳的將領，陳的將領有很多投降的。
十一年，高祖在邯鄲討伐陳等人還沒有結束，陳的將領侯敞帶領一萬多人流動作戰，王黃駐軍曲逆，張春渡過黃河進攻聊城。漢派將軍郭蒙與齊國的將領出擊，把他們打得大敗。太尉周勃從太原進軍，平定代地。到了馬邑，一時未能攻克，後來就把它攻打得城破人亡。
陳的將領趙利防守東垣，高祖攻打東垣，沒有攻下。一個多月後，趙利士卒辱罵高祖，高祖非常氣憤。東垣投降了，命令交出辱罵高祖的人斬首處死，沒有辱罵高祖的就寬恕了他們。於是劃出趙國常山以北的地方，封兒子劉恒為代王，建都晉陽。
春天，淮陰侯韓信謀反關中，處死了他的三族。
夏天，梁王彭越謀反，廢除他的封號，遷徙蜀地。他又要反叛，於是就處死三族。封兒子劉恢為梁王，兒子劉友為淮陽王。
秋天七月，淮南王黥布反叛，向東兼並了荊王劉賈的土地，北進渡過淮水。楚王劉交跑到薛縣。高祖親自前往討伐他，封兒子劉長為淮南王。
十二年十月，高祖在會已經擊敗黥布的軍隊，黥布逃走。高祖命令將領追擊他。
高祖率軍歸還，路過沛縣，停留下來。在沛宮擺設酒宴，把過去的朋友和父老子弟全部召集來縱情暢飲。挑選沛中兒童，得到了一百二十人，教他們唱歌。酒喝到酣暢，高祖擊著築，自己作了一首詩，唱起來：“大風起兮雲飛揚，威加海內兮歸故鄉，安得猛士兮守四方！”讓兒童都跟著學唱。高祖跳起舞，感慨傷懷，淚下數行，對沛縣父兄們說：“遠遊的人思念故鄉。我雖然建都關中，千秋萬歲後，我的魂魄還是牽繞沛縣。我從做沛公開始，誅暴討逆，終取天下。用沛縣作為我的湯沐邑，免除沛縣百姓的徭役，世世代代不用服徭役。”沛縣父老兄弟、長輩婦女、舊日朋友，天天開懷暢飲，極為歡欣，說舊道故，取笑作樂。過了十多天，高祖想要離去，沛縣父老兄弟執意挽留高祖。高祖說：“我的隨從人員眾多，父兄們供養不起。”於是高祖就動身了。沛縣百姓傾城而出，都到城西貢獻牛酒。高祖又停留下來，搭起帳篷，飲宴三天。沛縣父兄們都叩頭請求說：“沛縣幸運地得到免除徭役，豐邑還沒有獲準免除。請陛下哀憐豐邑。”高祖說：“豐邑是我生長的地方，絕不會忘記，我隻是因為豐邑以雍齒的緣故反叛我而去幫助魏國，所以才不免除它的徭役。”沛縣父兄們堅持請求，於是免除了豐邑的徭役，和沛縣相同。封沛侯劉濞為吳王。
漢軍將領在洮水南北兩路追擊黥布的軍隊，都大破黥布軍，在鄱陽追獲殺死了黥布。樊噲另帶一支部隊平定代地，在當城殺死了陳。
十一月，高祖從征討黥布的軍隊中回到長安。十二月，高祖說：“秦始皇帝、楚隱王陳涉、魏安王、齊緡王、趙悼襄王都絕嗣無後，分別給予十戶人家看守墳墓，秦始皇二十家，魏公子無忌五家。”代地官吏和百姓被陳、趙利所脅迫的，全部赦免。陳的降將說陳反叛時，燕王盧綰派人去陳那裏參預了陰謀策劃。高祖派辟陽侯去接盧綰，盧綰稱病不來。辟陽侯回來，詳細說明了盧綰反叛已有征兆。二月，派樊噲、周勃率軍出擊燕王盧綰。赦免燕地官吏和百姓參加反叛的人。封皇子劉建為燕王。
高祖攻打黥布時，被流矢射中，途中得了病。病情嚴重，呂後請來好醫生。醫生進去見高祖，高祖詢問醫生，醫生說：“病可以治好。”於是高祖謾罵醫生說：“我以一布衣平民，手提三尺劍取得天下，這不是天命嗎？命運在天，雖有扁鵲，又有什麼用處！”高祖不讓醫生治病，賞賜黃金五十斤，叫他離去。不久呂後問高祖：“陛下百年以後，蕭相國如果死了，讓誰接替他？”高祖說：“曹參可以。”又問其次，高祖說：“王陵可以。然而王陵稍為憨直，陳平可以幫助他。陳平智慧有餘，然而難以獨任。周勃穩重厚道，缺少文才，但能安定劉氏天下的一定是周勃，可以讓他做太尉。”呂後又問其次，高祖說：“這以後不是你我所能知道的。”
盧綰和數千名騎兵停留在邊塞等候，希望高祖病好了，自己去向高祖請罪。
四月甲辰，高祖崩於長樂宮。過了四天不發喪。呂後和審食其商量說：“將領們和皇帝同為編戶平民，如今北麵稱臣，為此常怏怏不樂。現在事奉年輕的皇帝，（心裏會更不高興，）不全部族滅這些人，天下不會安定。”有人聽到這個消息後，告訴了酈將軍。酈將軍去見審食其，說：“我聽說皇帝駕崩，四天不發喪，想要誅殺將領們。如果真是這樣，天下就危險了。陳平、灌嬰統率十萬士卒駐守滎陽，樊噲、周勃統率二十萬士卒平定燕、代，這時他們聽到皇帝駕崩，將領們全都被殺，必定連兵回來向關中進攻。大臣叛亂於內，諸侯造反於外，天下覆滅可以翹足而待了。”審食其進宮把這些話告訴了呂後，於是就在丁未發喪，大赦天下。
盧綰聽說高祖駕崩，就逃入匈奴。
丙寅，安葬高祖。己巳，立太子為皇帝，來到太上皇廟。群臣都說：“高祖起於細微平民，撥亂反正，平定天下，是漢朝的開國始祖，功勞最高。”上尊號為高皇帝。太子襲號為皇帝，這就是孝惠帝。命令各郡和各國諸侯建立高祖廟，按照每年的時節祭祀。到了孝惠帝五年，孝惠帝思念高祖回沛時的悲樂情景，就把沛宮作為高祖原廟。高祖所教唱歌的兒童一百二十人，都讓他們做高祖原廟中演奏音樂的人員，以後有缺額，就立刻補上。
高皇帝八個兒子：長子是庶出的齊悼惠王肥；其次是孝惠帝，呂後所生；再次是戚夫人生的趙隱王如意；再次是代王恒，已立為孝文帝，薄太後所生；再次是梁王恢，呂太後時徙為趙共王；再次是淮陽王友，呂太後時徙為趙幽王；再次是淮南厲王長；再次是燕王建。