在公元前206年，即汉王元年的五月，刘邦让萧何任丞相，负责管理后方巴蜀地区，他亲自和韩信领兵从陈仓(现在陕西宝鸡东)偷渡，迅速占领了关中全部，至此，著名的楚汉战争正式爆发。
楚汉战争分为两个阶段，前一阶段是刘邦处于下风，屡次被项羽杀得大败而归。后来，刘邦离间了项羽和范曾，逐渐占据上风，最后将项羽彻底打败。
楚汉双方又对阵了十个多月，因为有关中和蜀地的支援，刘邦逐渐占了上风，而项羽则兵源缺乏，粮草不足，难以和汉军抗衡。
在侯公的撮合下，项羽和刘邦定下了停战协定：楚汉以鸿沟(现在河南荥阳、中牟和开封一线)为分界线，东西分治。协定达成之后，项羽将战争中擒获的刘邦的父亲和妻子送还。
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，万一他回到彭城，等于是纵虎归山。
刘邦听了赶紧命令追击。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，并马上派人许诺韩信和彭越，在击败项羽后立即封他们为齐王和梁王，于是韩信和彭越立即进兵。
同时，楚的大司马周殷也被刘邦派人劝降，淮南王英布领兵也赶来会师。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。
走投无路的项羽在大帐中和心爱的虞姬饮酒，乘着酒力慷慨而歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何!”
虞姬当着项羽的面含泪自刎，项羽擦去眼泪，跃马率领800余骑兵趁夜突围南逃，天明后刘邦方才发觉，遂派灌婴率数千骑兵追击。
楚军渡过淮河后只剩下百余骑，逃至阴陵(今安徽定远县西北)时因迷路，问路一田父，田父诓骗而左行，结果陷于沼泽，致使汉军追上。
至东城(今安徽定远县境内)时，仅剩下28骑，项羽自度难以脱身，却依然说：“天亡我，非战之罪也。”
逃至乌江(今长江，位于今安徽和县东北乌江镇)时，乌江亭长力劝项羽过江，以图东山再起，项羽却说：“天之亡我，我何渡为!且籍与江东子弟八千人渡江而西，今无一人还，纵江东父兄怜而王我，我何面目见之?纵彼不言，籍独不愧于心乎?”自觉无颜见江东父老，不肯渡江。
接着在力杀汉军数百人后，自刎而死。
在东城(现在安徽定远东南)被灌婴的骑兵追上，项羽随从只有二十八人了，和汉军激战三次，杀伤几百汉军后，项羽最后横剑自刎。
垓下一战，刘邦全歼楚军，获得最后胜利。项羽败亡后，楚地陆续平定，最后唯原项羽封地鲁不下，汉军乃以项羽头示鲁，鲁遂降，楚国至此全部平定。
楚汉战争末期，属楚国阵营的衡山王吴芮、九江王英布先后归附汉王刘邦，唯临江王仍不听命。
汉五年(前203年)十二月，汉军又攻破临江国都江陵(今湖北荆州)，俘虏项羽所立的临江王共尉。
公元前202年2月28日，刘邦在定陶正式称帝(即汉高祖)，建立了西汉王朝。
公元前196年，南越王赵佗上表称臣。至此，天下归于一统。
