随后与秦军在蓝天大战，秦军大败，秦王子婴素在轵道向刘邦立上了传国玉玺，秦朝就此灭亡，刘邦进入咸阳后以关中王自居，但张良拼死相却，让刘邦退到了灞上，随后项羽也直奔关中而来，这是项羽也设下了鸿门宴，刘邦听了张良的计策，来面见项羽，表明自己并没有称王之心，后刘邦借故离开。
项羽进入咸阳后，火烧阿房宫，杀秦王子婴，在咸阳论功行赏开始分封，汉元年二月，齐国的田荣因不满分封，自立为齐王，11月，刘邦东出，拜韩信为大将，进军关中，公元205年，刘邦平定三秦，与项羽开始争夺天下，他出兵到陕后听闻义帝的死亡经过，举哀三日，决定讨伐项羽，与项羽的战争拉开了序幕。
公元205年，刘邦联合诸侯率领50军队攻打楚都，项羽听闻后亲自率领三万精兵前来回援，刘邦手足无措，一时之间斩杀了刘邦十多万兵马，水淹十几万人，刘邦逃到荥阳，稳住阵脚后重整军队，依托于有利地形和项羽相持不下，7月，章邯兵败自杀，刘邦派人说服英布反楚，205年，项羽发动了攻击，刘邦则利用反间计，使项羽怀疑范增，范增大怒，解甲归田。
项羽击败彭越后屯兵广武，不就之后，韩信引军攻打项羽后部，项羽腹背受敌，无奈之下与刘邦签订了盟约，以鸿沟为界，中分天下，公元203年，就在项羽引军东归之时，刘邦在张良的却说下，开始全力追击项羽，公元202年，刘邦率领约70万兵力迎战项羽的10万人，项羽不敌，被楚军包围，这是韩信又命军士唱起了楚歌，导致楚军军心溃散，项羽突围逃至乌江，最后自刎而死！
公元202年，刘邦在定陶汜水称帝，定国号为汉，将刘盈立为太子，随后，刘邦将昔日了战将纷纷除掉，刘邦曾杀白马为盟，定下誓约：“非刘氏王者，天下共击之！”，这就是历史上的白马之盟！公元195年6月1日，刘邦死于长乐宫，葬于长陵！
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