刘邦东进之后，曾经趁项羽和齐、赵交战之机拿下了河南，攻克洛阳，然后挥师东进，攻下了彭城。原先项羽打算在平定齐和赵后再和刘邦决战，现在见刘邦攻下了彭城，便领精兵三万急行军赶回，趁刘邦设酒宴庆功之机，在清晨发动袭击，一天之内便将汉军打败，在汉军撤退时，又被项羽追杀消灭了十几万人。到了灵壁(现在安徽宿县西北)东边的濉水又被项羽追上，又丧失十几万军队，刘邦的父亲和妻子吕后被项羽抓获。原来跟随刘邦的其他路诸侯王见刘邦大败，先后舍他而去。
刘邦退到荥阳之后，得到了萧何的增援部队，韩信也收拢被打散的军队会合。汉军又重振旗鼓，在荥阳的南边打败了项羽的军队，两军在荥阳一带开始对峙。后来，刘邦策反了项羽的大将英布，分化了项羽的势力，也使项羽因为要分兵镇压而消弱了兵力。但项羽毕竟不是一般人物，他派兵侵扰汉军的运粮通道，最终将荥阳的汉军围困起来。刘邦无奈，只好向项羽求和，提出以荥阳为分界线，荥阳以西为汉，项羽原本想答应刘邦，但范增却不同意，说现在正是消灭汉军的好时机，错过这个机会，放虎归山，就后患无穷了。项羽于是又开始攻打荥阳。刘邦见范增从中作梗，就采用了陈平的离间计，使项羽逼走了范增。
范增走后，项羽加紧进攻荥阳，刘邦也设法从荥阳突围。大将纪信自告奋勇，替刘邦向项羽假投降，让刘邦趁机逃脱。纪信乘坐着刘邦的车出东门诈降，刘邦则从西门出城突围。纪信果然将项羽的大部分军队吸引住，结果项羽没有抓住刘邦，一气之下将纪信烧死了。
楚汉双方对阵了十个多月，因为有关中和蜀地的支援，刘邦逐渐占了上风，而项羽则因为兵源、粮草不足和刘邦讲和，以鸿沟(现在河南荥阳、中牟和开封一线)为界，东西分治。然后项羽将刘邦的父亲和妻子送还。
决战垓下
项羽领兵东返，刘邦也打算领兵回关中。张良和陈平则极力劝说刘邦趁机灭掉项羽，因为这时项羽兵不精粮不足。刘邦采纳后命令大军返回追击，同时派人命韩信和彭越火速集结，合击项羽。
在公元前202年的十月，刘邦追上了项羽，但到了固陵(现在河南太康西)时，韩信和彭越的军队还没有到达。项羽向汉军猛烈反击，将汉军击溃。刘邦只得坚守不出，张良说如果承诺能给韩信、彭越封地，他们定会火速进兵。刘邦马上派人许诺韩信和彭越击败项羽后封他们为齐王和梁王。韩信和彭越答应立即进兵，汉军会合各路援军共三十万，和项羽决战垓下。夜里，围困项羽的汉军唱起了楚国苍凉的歌，使项羽以为汉军已占有全部楚地，项羽的士兵思乡落泪个个离去。项羽突围后被汉军追击，落入十面埋伏的项羽最后自刎而死，楚汉战争由此正式结束。
建立汉朝 史称高帝 迁都长安
公元前202年，天下经历了10年混战割据后重归一统，刘邦在众人的推举下正式称帝，建立汉朝。开始刘邦欲将都城定在洛阳。刘邦在洛阳的庆功会上，和众人总结楚汉战争胜败的经验教训。高起和王陵说，刘邦之所以能战胜项羽，是因为刘邦能与大家同甘苦，共患难，而项羽却自私自利。刘邦总结自己取胜的原因说：“论运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我不如张良;论抚慰百姓供应粮草，我又不如萧何;论领兵百万，决战沙场，百战百胜，我不如韩信。可是，我能做到知人善用，发挥他们的才干，这才是我们取胜的真正原因。至于项羽，他只有范增一个人可用，但又对他猜疑，这是他最后失败的原因。”刘邦的总结很准确，战争的胜败，人的因素总是最重要的。
后来，一个叫娄敬的士卒从山东赶来见刘邦，说刘邦得天下和先前的周朝不一样，所以不应像周朝那样以洛阳为都城，应该到关中定都，这样便可以在秦地固守险地，国家才能长治久安。他的意见遭到很多人反对，张良则同意娄敬的建议，他说关中是“金城千里，天府之国”，退可守，攻可出。刘邦于是将都城迁到了长安。
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