項羽在河北消滅秦軍主力之後，也揮師西進，於公元前207年11月碑關中門戶函穀關，12月中旬進抵離鹹陽不遠的鴻門〈今陝西臨潼東），打箅一舉消滅劉邦的軍隊。當時項羽擁兵40萬，號稱百萬，又挾巨鹿大勝的餘威，士氣旺盛，銳不可當。而劉邦此時隻有軍隊10萬人，一時還難以與項軍抗衡。於是，劉邦率部下百餘人，主動登門拜訪項羽，對項羽表示尊重和友好，並解釋他們之間的某些誤會。項羽在鴻門設宴招待劉邦，席間，項羽的謀士範增多次示意項羽殺掉劉邦，並令項莊以舞劍為名，伺機刺殺劉邦，氣氛非常緊張。隻是由於項羽的優柔寡斷以及項伯、張良、樊噲等人的保護，劉邦才化險為夷，後來，劉邦借口上廁所，乘機逃離了項羽的營地。
項羽率軍進人鹹陽後，一把火燒掉了壯麗宏偉的秦宮室，並搶劫珍寶、擄掠婦女，百姓對他大為失望，敢怒而不敢言。項羽表麵上尊楚懷王為義帝，實際上使懷王成為了他的傀儡，他自立為西楚霸王，以霸主自居分封了18個王，而違背楚懷王與諸將之約，將關中封給了3個秦朝的降將，把劉邦封為統治巴蜀和漢中地區的漢王。項羽倒行逆施的裂土大分封，以及他的殘暴和不守信義，埋下了戰爭的禍根，不久，一些地方就紛紛舉行了反叛。公元前206年8月，劉邦采用韓信“明修棧道，睹渡陳倉”的計謀，出其不意地揮師東進，攻占關中，揭開了長達5年的楚漢戰爭的序幕。
公元前205年3月劉邦打著為義帝報仇的旗號（義帝在這一年初為項羽害死），糾集各路諸侯的軍隊共50多萬人，東下伐楚。這時，項羽率領他的主力部隊正在山東作戰，所以，劉邦統率的大軍不費很大的氣力就攻占了項羽的都城彭城。項羽聽到這個消息後大怒，迅速率領3萬精兵回師救援，結果在彭城一帶把劉邦的軍隊打得落花流水。楚軍一路追殺，漢軍掉人睢水淹死的就有10多萬人，睢水中堆滿了漢軍士兵的屍體，以致河水都不能流動了。劉邦僅率領幾十名騎兵狼狽逃脫，他的父親和妻子因來不及逃脫而成了項羽的俘虜。各路諸侯本來就是風吹兩邊倒的牆頭草，這時，他們見劉邦遭到慘敗，紛紛背離劉邦而投向項羽，劉邦處於非常困難的境地。
盡管受到重大挫折，然而劉邦並不氣綏，他在退到滎陽、成皋一帶後，收集散兵，進行整頓，構築防禦工事，在滎陽南麵的京、索之間擊敗了楚軍的追兵，阻扼了楚軍的攻勢。
從彭城之戰的失敗中，劉邦吸取了深刻的教訓，在軍事戰略上，他改變了與項羽進行主力決戰的辦法，製定了正麵堅持、敵後騷擾、南北兩翼牽製的方針。他親自率領漢軍主力，與楚軍在成皋一帶相持，阻止楚軍西進，又聯合彭越和英布等力量共同反楚，‘使楚軍腹背受敵；大將韓信則率師征伐魏、代、趙、齊等地，從北翼對楚軍造成極大的威脅。經過近5年的苦戰，漢軍逐漸轉弱為強，並掌握了戰爭的主動權；相反，項羽強大的軍隊卻不斷地遭到削弱，後來陷人四麵楚歌的困境。
公元前202年，劉邦與韓信、彭越、英布的30萬大軍，會師於垓下（今安徽靈壁縣南），將楚軍層層圍困住，並讓一些士兵用楚方言唱著歌曲，造成楚地已被劉邦全部占領的假象，以瓦解楚軍的士氣。在兵疲糧盡、士氣低落的境況下，一天夜裏，項羽喝著悶酒，望著他心愛的駿馬騅和美人虞姬，十分傷感地吟唱著一首他自編的歌：力拔山今氣蓋世，時不利兮騅不逝，騅不逝兮可奈何，虞今虞兮奈若何！
項羽一遍又一遍地唱著，然後揮淚告別虞姬，率領著800名精銳騎兵，突圍而出。劉邦發現項羽逃走之後，即派大將灌嬰率5000輕騎火速追趕。項羽在渡過淮河之後，其800騎兵僅剩下100多人，當逃到烏江（今安徽和縣東北）時，隻剩下了他一個人。他感到無顏見江東父老，再也沒有勇氣渡過烏江、以圖東山再起，於是，‘他仰天長歎，拔劍自刎而死。曆時四五年之久的楚漢戰爭，終於以劉邦獲勝、項羽失敗的結果降下帷幕。
劉邦能取得楚漢戰爭的勝利，是非常不容易的。在戰爭前期，項羽的軍隊比劉邦的軍隊強大得多，項羽本人也是驍勇善戰、舉世無雙的將領，在4年多的戰爭中，楚漢間大戰70次，小戰40次，劉邦雖屢屢戰敗，身受重傷12次，但最終卻贏得了這場戰爭的勝利。
劉邦為什麼能成為楚漢戰爭的最後勝利者呢？除了他善於爭取民心、有穩固的關中根據地和正確的戰略戰術外，善於用人是其中的重要原因。劉邦自己是平民出身，因而他能不分貴賤、不拘一格地啟用人材。在他的得力助手之中，張良是貴族，陳平是遊士，樊噲是狗屠，灌嬰是布販，婁敬是車夫，彭越是強盜，韓信是流氓，周勃是吹鼓手，各式各樣的人都有。劉邦對他們都能量才而用，使他們各得其所。例如，劉邦讓張良運籌帷幄、負責戰略決策的製訂；使蕭何坐鎮關中，源源不斷地向前線提供糧草和兵員；遣韓信統率大軍馳騁沙場，攻城略地……，不愧為用才得當，具有戰略家的眼光。劉邦胸懷寬廣，對部下的不同看法乃至尖銳的批評意見，隻要是正確的，他都能虛心聽取，果斷地采納。對真正有才幹的人，他能破格啟用，授以大權，委以重任。所以，劉邦手下猛將如雲，謀臣如雨，可謂是人才濟濟。相比之下，項羽氣量狹窄，不善於用人，就連唯一重要的謀士範增也給他逼走，後來自己落得個孤家寡人的下場。
劉邦還機智過人，善於隨機應變。例如，有一次，楚漢兩軍對峙，項羽把俘虜的劉邦的父親劉太公置於一口煮肉的大鍋內，威脅劉邦說，你若不投降，我就把本公烹煮了。劉邦當然不會投降，但此時如果表現出對太公可能遇害的恐懼、擔憂：憐憫，或者保持沉默，都會使太公難逃毒手。隻見劉邦坦然自若地說，我和你在楚懷王手下當將領時，曾經相約成為兄弟，這樣，我的父親也就是你的父親，你如果要烹煮你的父親的話，那麼到時請分給我一杯肉湯。劉邦鎮定而機智的回答，使中國曆史知識全書——重要人勒項羽陷人被動，在其他人的勸說下，他終於未對太公下毒手。爻有一次，劉邦在陣上大罵項羽，項羽大怒之下，彎弓一箭射中劉邦的胸口。劉邦痛疼難忍，卻曲身摸腳，淡淡地說，這惡奴射傷了我的腳趾，陣上士兵不知他受了重傷，所以沒有漬退。而相比之下呢，項羽處事顯得刻板、魯莽，匹夫之勇而0“項羽曾屢屢要求劉邦與他進行決戰，以一決雌雄，劉邦微笑地回答說：“不，我和你鬥脊不鬥力！”的確如此，劉邦在爭取民心、善於用人、製定和采取正確的戰略戰術等等方麵，都表現出他的智慧，在長期的楚漢戰爭中，劉邦可說是以智與項羽鬥，以智而取勝。