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高祖，沛县丰邑中阳里人，姓刘 （名邦、又名季） 。刘邦的母亲刘婶曾经在湖岸边睡卧，在睡梦中与神灵交合。刹那间，天昏地暗，电闪雷鸣，刘邦的父亲刘太公前来接妻子，朦胧中看到有蛟龙盘绕在妻子身上。不久刘婶怀孕，生下刘邦 （高祖） 。
刘邦的面相，前庭饱满，鼻梁挺直，长大成人后，刘邦蓄一副漂亮的胡须，左边大腿上长有七十二颗黑痣。刘邦待人宽厚仁爱，性情豁达大度，做事情豪爽不羁。不喜欢与常人一样谋持家业。及至壮年，刘邦通过考试，担任地方上的小吏，做过泗上乡亭长 （注：秦汉时十里为一亭，亭有亭长。亭长管治安，捕捉盗贼。十亭为一乡） 。在一起共事的官吏中，刘邦不拘小节，喜欢与他人开玩笑，喜欢饮酒，还喜欢女色。刘邦常到酒家王婶、武妇的店中赊酒喝，假若喝醉了，刘邦就会睡在酒家，卖酒妇武婶、王婶常在刘邦身上发现一些奇异的现象。比如说刘邦来喝酒，当天的酒就会多卖出几倍，这种事情发生多了，年末结账时，武婶和王婶会很爽快地把刘邦的酒债免去。
刘邦曾出差咸阳，到咸阳去办一些沛县交办的公务，见到过秦始皇出巡，那种盛大的场面，令刘邦驻足感叹道：“嗨呀，大丈夫就应该如此！”
单父县人吕公与沛县令是好朋友，因为躲避仇家，客居沛县，后来将家眷迁至沛县定居。沛县豪绅、官员们知道沛县令与吕公是好朋友，吕公将家眷又安置在沛县，于是到吕公家中来庆贺。萧何是沛县的文吏，在酒宴上负责接待宾客，事先告知来贺的宾客：“贺礼不满一千钱的，坐在堂下。”刘邦虽然是亭长，却没有将同事、政府的官员放在眼中，此次前来贺喜，在递上的名片上，刘邦随意写上“贺礼一万钱”，其实一个钱也没带。吕公接过名片，看到如此厚重的贺礼，大惊，从座位上起身，迎出门外。吕公懂得相面，一看到刘邦的面相，即格外敬重，遂将刘邦引入上座。萧何在旁边讲：“刘季此人喜欢吹牛，不必当真。”刘邦却要与众人开个玩笑，一屁股坐在上座，毫无愧意。酒宴将要结束时，吕公用眼色示意刘邦酒后留下。刘邦留下来，吕公对刘邦讲：“我会相面，相的人也很多，没有遇到过像君这样的贵相，希望君多加保重。我有一位女儿，愿意嫁予君作为妻子。”客人们散了，吕婶气地骂吕公：“老东西，总说女儿金贵，要嫁一位贵人。沛县令待你那么好，想要与你结为亲家，你不肯答应，今天倒好，把女儿嫁给刘季这样的人？”吕公说：“女人家，懂啥。”最终还是将女儿嫁予刘邦。吕公女儿的名字叫做吕雉，即汉初的第一位皇后——吕后，吕雉为刘邦生下孝惠帝和鲁元公主。
刘邦曾在休假日，回乡里种田，吕雉与两个孩子在田间干活儿，一天，一位老人路过，要借水喝，吕雉把水借给老人。老人喝完水，盯着吕雉看，老人说：“夫人，你可是天下的贵人。”吕雉不以为然，再让老人看两位孩子，当看到孝惠帝时，老人讲：“夫人之贵，即来自于这个孩子。”又看了鲁元公主，也说是一副贵相。老人走后，刘邦从家里赶来，吕后把刚才发生的事情告诉刘邦，说刚才过去的老人为她们母子相面，说她们母子是贵人。刘邦问这位老人现在何处，吕雉说：“刚过去。”刘邦随即赶上老人追问。老人讲：“刚才说夫人和儿子是贵人，就是因为你，你的面相贵不可言。”刘邦拜谢道：“如果真的像您所说的那样，我一旦富贵，一定要报答您。”及至高祖建立汉朝，做了皇帝，想再找这位老人，却无论如何也找不到。
刘邦当亭长时，常戴一顶竹皮编的帽子，是手下捉盗贼的属吏在薛县为刘邦买的，刘邦很喜欢这顶帽子，经常戴，当了皇帝还戴，天下人为此称刘邦戴的这种帽子为“刘氏冠”。
作为亭长，刘邦要押送沛县刑徒至骊山，为秦廷服徭役，队伍上路不久，有许多人逃亡。刘邦暗自想，等到抵达骊山，逃亡的人也就差不多了，于是在丰邑西边的泽中亭，将队伍停下来，刘邦随后打上酒，开怀畅饮，喝到半醉时，半夜里，刘邦将绑着刑徒的绳索解开，让他们自寻生路。刘邦说：“你们走吧，我收拾一下也要远走高飞啦！”刑徒中，有十几位壮汉，愿意跟随刘邦一起走。此时的刘邦，已经喝得醉醺醺的，带着一群人来到湖沼边，刘邦让一位壮汉在前面探路。此人走到中途返回来报告，说：“前边有一条大蛇挡住去路，我们还是绕开走吧。”刘邦此时醉眼惺忪地说：“有这么多壮汉，怕个鸟！”竟一人仗剑向前，走到蛇的跟前，手举宝剑，将挡路的蛇一挥两段。道路打开后，刘邦继续向前走，走着走着，又困又乏，加上醉意，刘邦竟卧倒在路旁，齁齁酣睡起来。过了不久，后边的人也跟了上来，走到斩蛇的地方，看到一位老太太坐在那里哭泣。问老太太哭什么，老太太说：“有人把我的儿子杀了。”这些人问：“是谁杀了你的儿子？”老太太说：“我的儿子是白帝的儿子，今天化为蛇，挡在路上，被赤帝的儿子杀了，呜呜呜。”这些人笑老太太撒谎，于是责骂她，突然间，老太太不见了。这群人继续向前走，赶上刘邦，刘邦此时已经酒醒。这群人将刚才发生的事情告诉刘邦，刘邦听完后，暗自高兴，更认为自己了不起。从刘邦那里，这群人知道了事情的原委，也更加敬慕刘邦。
秦始皇生前，有人告诉皇帝：“东南方向有天子气。”秦始皇于是向东南方向巡游，妄图借此来镇压天子气。在此期间，刘邦躲在芒、砀山中，吕雉带着人来找丈夫，很容易就能找到。刘邦很奇怪，问吕雉怎么找到的。吕雉说：“你呆的地方，上面有云气，我是寻着云气找到的。”刘邦听到这样的解释，惊喜莫名。沛县子弟听说这些故事后，也纷纷来到芒砀山，追随刘邦。
秦二世元年 （公元前209年） 秋天七月间，陈涉率领九百余刑徒在蕲县起义抗秦，起义军攻下陈县 （今河南周口市淮阳县） ，将陈县设为楚国都城，陈涉自立为楚王。而后派出武臣、张耳、陈余前往赵国，继续开辟领地。八月间，武臣占领赵国，随后自立为赵王。各郡县的百姓将秦廷官吏抓起来，甚至杀掉，用行动响应陈涉起义。到了九月，沛县令也想率领沛县百姓响应起义。沛县掾吏萧何、曹参对县令说：“您是秦廷任命的官员，今天要叛秦起义，沛县子弟，未必肯听从您的指挥。不如将沛县逃亡在外的豪杰召回来，可以获得几百人，让他们出面，那么沛县子弟不敢不听。”沛县令于是让樊哙到芒砀山中召刘邦回来。此时的刘邦，已经聚积了几百人。
等到樊哙带着刘邦一群人返回沛县，沛县令又后悔了，担心来的人太多，难以驾驭，于是紧闭城门，不让刘邦进来，还要杀掉萧何、曹参。萧何、曹参顿时恐慌，翻越城墙，投奔刘邦。刘邦用箭射了一封书信到沛县城上，告诉沛县的父老乡亲说：“天下在秦廷苛政压迫下，已经苦了很久，现在沛县父老还要为沛县令守城。但是你们也要想一下，天下大乱，诸侯造反，他们早晚会来剿灭沛县。你们应该做的是与我一起杀掉这位逆天行事的县令，再选一位众望所归的人，用行动来迎接造反诸侯，这样做才能够保全家室。如果不采取行动，父母兄弟可能会在造反中被杀，这样死去也太不值得了。”看了刘邦的信，沛县父老遂率领子弟，将沛县令抓了起来，杀掉。接着打开城门，迎接刘邦，并且要推举刘邦担任县令。刘邦推辞道：“天下扰攘，诸侯并起，我们是应该选一位首领，假若选的人不合适，有可能会一败涂地。在这里，我不是谦虚，实在是能力不够，很难让父老乡亲们满意。这是一件大事，马虎不得，请大家再考虑考虑，选择更合适的人选。”萧何、曹参还有其他原沛县官吏，均为小心谨慎的人，害怕造反不成，事情过去后秦廷会办他们的灭族罪，因此也纷纷推举刘邦。沛县乡亲们说：“我们早就听说过你刘季与众不同，生就的一副贵人相，而且此前，我们还卜了卦，只有你刘季担任首领最为合适。”刘邦几次谦让，众人都不答应，最终刘邦被众人推举为沛公。事情确定后，沛县众人在刘邦带领下，向黄帝神位祭告，在县衙向蚩尤神位祭告，而后斩杀牲畜，用畜血涂抹在战鼓和旗帜上。旗帜的颜色是红色，据说是因为刘邦杀了白帝的儿子，刘邦是赤帝的儿子。沛县少年像樊哙，还有沛县旧官吏像萧何、曹参等人，均成为义军中的成员，义军共计有三千余人。
同一个月，项梁与他的侄儿项羽在吴地起兵；田儋与他的叔伯兄弟田荣、田横在齐地起兵，并自立为齐王；韩广在攻略燕地后，自立为燕王；陈涉手下将领周章率领义军西入函谷关，抵达秦地戏水，秦廷将领章邯在戏水阻击周章，周章战败。
秦二世二年 （公元前208年） 十月，沛公刘邦率领义军攻占胡陵县和方与县，而后率领义军返回，守卫丰邑 （刘邦的家乡，出生地） 。秦朝泗川郡监叫平的将军率领秦军包围丰邑。第二天，刘邦率领义军出城与平交战，将秦军打败。刘邦命令雍齿守卫丰邑。十一月，刘邦率领义军抵达薛县。在薛县，刘邦打败秦朝泗川郡守壮，壮逃往戚县，被沛公手下左司马追上宰杀。沛公刘邦率领义军返回亢父邑，抵达方与县，赵王武臣在乱军中被部下杀害。十二月，楚王陈涉被御手庄贾杀害。魏国义军将领周市率领军队抵达丰沛地区，派人对雍齿说：“丰邑，过去曾经做过魏国的都城，现在魏地已经平定，收回数十座城池。假若你现在投降魏国，魏国封你为侯爵，让你继续守卫丰邑；假若你不投降，那么我攻下丰邑后，就要屠城。”雍齿平时对沛公已有想法，不愿意再追随沛公，现在魏国又在向雍齿招降，雍齿遂投降魏国，并为魏国守卫丰邑。刘邦听到消息后，马上回军进攻丰邑，却没有攻下来，只好率军退回沛县。在当时，刘邦切齿痛恨雍齿以及背叛自己的丰邑子弟。
秦二世二年正月，张耳等人立原赵国赵王的后代赵歇为赵王。东阳县人宁君、秦嘉立原楚国贵族的后裔景驹为楚王，驻扎在留县。刘邦率领义军前往投奔景驹，途中遇到张良，刘邦带着张良一起前去拜见景驹，希望景驹能够为自己增添兵马，再返回来进攻丰邑。秦军在章邯率领下，正从陈县扑来，另外秦军别将司马夷也率领秦军，向北镇压楚地义军，秦军屠戮了相县，抵达砀县。东阳县人宁君与沛公率军向西撤退，在萧县西边与秦军大战，义军战败失利，刘邦收兵驻扎在留县。到了二月，刘邦再次进攻砀县，三天后攻下砀县。刘邦将砀县守军收编，一共获得六千人，加上义军原有人马，刘邦现在有了九千人马。三月，刘邦进攻下邑，攻取下邑。又回军进攻丰邑，还是没有攻下来。进入四月，项梁率领义军斩杀景驹、秦嘉，而后驻扎在薛县，沛公刘邦率领义军前往会合。项梁为沛公的义军增加五千精兵，还有授予五大夫爵位的十员将领。刘邦率领这支加强了精兵的军队，回军进攻丰邑，终于攻取丰邑。雍齿战败窜逃，投奔魏国。
秦二世二年五月，项羽率军攻取襄城县，而后返回薛县。项梁在薛县 （今山东省枣庄市滕县） 召集义军将领共商大计。六月份，沛公刘邦也抵达薛县，与项梁一起拥立原楚国怀王的孙子熊心为楚怀王。章邯率领秦军打败魏王咎，魏王咎兵败自杀，接着秦军在临济县打败并斩杀齐王田儋。七月间，天下大雨，沛公刘邦率军进攻亢父县，章邯在东阿县包围田荣。刘邦与项梁共同率领援军救援田荣，在东阿县大败秦军章邯，田荣解围后返回齐国。沛公与项羽率军继续追击秦军，抵达城阳县，随即进攻秦军，最终攻取城阳县，而后在城内屠杀。刘邦和项羽把军队驻扎在濮阳县东边，与章邯率领的秦军继续交战，又将秦军战败。
章邯率领的秦军，因为秦廷不断地增派援军，已经恢复元气，此时驻扎在濮阳县。在濮阳县外围，章邯用水灌满城周围的壕沟固守。沛公与项羽久攻不下，继而率领军队进攻定陶县。八月间，田荣立田儋的儿子田市为齐王。沛公和项羽没有攻下定陶，率军向西一路扫荡，抵达雍丘县，与秦军大战，大败秦军，斩杀三川郡守李由 （李斯的儿子） 。接下来率军攻打外黄县，没有打下来。
项梁率军一再地打败秦军，屡次胜利，使得项梁心生骄傲。部将宋义劝谏项梁，项梁听不进去。秦廷又再次为章邯增兵。九月间，章邯率领口中衔枚的秦军士兵，乘着夜色在定陶县袭击项梁，章邯大败项梁楚军。在乱军中，秦军斩杀项梁。在此期间，天一直不停地下雨，从七月一直下到九月。沛公与项羽还在进攻陈留县，听到项梁的死讯，军心大乱。沛公、项羽和将军吕臣率领军队向东撤退，带着楚怀王熊心从盱眙退至彭城 （今江苏省徐州） ，把彭城作为楚国义军的都城。吕臣率军驻扎在彭城东边，项羽率军驻扎在彭城西边，沛公率军驻扎在砀县。魏咎的弟弟魏豹此时已自立为魏王。到了九月 （闰九月）， 楚怀王将吕臣和项羽的部队合并在一起，亲自率领；而后任命刘邦担任砀郡长，加封刘邦为武安侯，率领砀郡楚军；封项羽为鲁公，加封项羽为长安侯，任命吕臣为司徒，任命吕臣的父亲吕青为令尹。
章邯打败项梁后，认为楚地的义军已经不足挂虑，于是率领秦军渡过黄河，向北进攻赵王歇的部队，大败赵军。赵歇此时只能固守在巨鹿县城，秦军将领王离 （王翦的儿子） 包围巨鹿县。赵国数次向楚怀王求救，楚怀王任命宋义为上将军，项羽为次将军，范增为末将军，北上救援赵国。
最初，楚怀王熊心与义军各将领约定，率军先攻入关中者封王。在当时，秦军的势利还很强大，常把义军打的自顾不暇，各路将领均不敢提出攻打函谷关的事情。只有项羽因为痛恨秦军杀害叔父项梁，自报奋勇，愿意与沛公刘邦一起，率军向西进攻函谷关。楚怀王身边的大臣们说：“项羽性情残暴，嗜好杀戮，攻破襄城后，将襄城屠杀的鸡犬不留。项羽率领大军经过的地方，烧杀抢掠，留下一片焦土。而且楚军多次用兵，前有陈涉，后有项梁，都失败了。不如此次派一位忠厚长者，率领义军向西攻入函谷关，劝谕秦地父老。秦地百姓在秦廷暴政的压迫下，已经受苦多年，现在派一位长者前往秦地，不用暴政虐害，打败秦军是有希望的。这次不能派项羽，沛公是一位忠厚长者，可以考虑。”楚怀王因此没有派项羽，而是派刘邦向西收拢陈涉、项梁义军中打散的士卒。刘邦率领这路义军，经过砀县抵达城阳县和杠里县，进攻秦军堡垒，打败两支秦军。
秦二世三年 （公元前207年） 十月份，齐国将领田都背叛田荣，率领部队配合项羽救援赵国。沛公刘邦进攻东郡，在成武县打败秦廷东郡都尉。十一月，项羽杀掉宋义，控制楚国派往赵国救援的楚军，而后率领楚军渡过漳河，自封为上将军，手下将领黥布等人均愿意服从项羽指挥。秦二世三年十二月份，沛公刘邦率领部队抵达栗县，与刚武侯相遇，将刚武侯率领的四千义军收编进来，而后与魏国人皇欣、武满率领的义军汇合在一起，进攻秦军，将秦军打得大败。原齐王田建的孙子田安此时已经攻下济北郡，跟随项羽共同救援赵国。项羽援军得到加强后，在巨鹿城下大败秦军，俘虏秦将王离，秦将章邯率领残军落荒逃走。
秦二世三年二月间，沛公刘邦率领义军从砀县北边进攻昌邑县，路上与彭越率领的义军相遇。彭越帮助刘邦一起攻打昌邑县，没有攻下来。刘邦率领部队向西经过高阳邑，当时，郦食其在高阳邑做一位看守里巷的守门小吏，看了刘邦和他率领的军队，郦食其说：“过往的义军很多，我看只有沛公与他们不同，沛公是一位豁达、有远大志向的人。”郦食其于是前往军营，求见沛公。沛公刘邦当时坐在床上，正在让两位女子洗脚。郦食其长揖不拜，郦食其说：“足下要是真心诛灭无道的秦朝，就不应该以这样的态度，坐在床上会见长者。”刘邦听到此话，慌忙起身，整理一下衣服，很诚恳地向郦食其道歉，请客人坐在上座。郦食其向刘邦献上计策，袭取陈留县。刘邦因为郦食其献计有功，封郦食其为广野君，任命郦食其的弟弟郦商为手下将领，郦商率领陈留县的军队，加入义军。三月份，进攻开封县，没有攻下来。刘邦率领义军向西与秦军将领杨熊在白马县会战，没有决出胜负，又在曲遇邑东边与秦军交战，大破杨熊率领的秦军，杨熊率领秦军残部逃往荥阳县，秦二世派出使者在荥阳县将杨熊斩首示众。四月份，刘邦率领义军向南进攻颍川郡，破城后在城内烧杀。应张良要求，刘邦率领义军扫荡韩国故地。
当时赵国别将司马卬正要率领义军渡过黄河进入函谷关，沛公刘邦率领义军向北进攻平阴县，封锁黄河渡口。继而率领义军向南在洛阳东边与秦军大战，战事不利，刘邦率领义军翻越轘辕山，抵达阳城邑，在这里征集军马。六月份，在犨的东边与南阳郡守吕齮（yǐ）交战，大败吕齮率领的秦军。而后进攻南阳郡，南阳郡守吕齮率领残军逃走，逃往宛县据守。刘邦打算率领义军从宛县西边绕行，再从武关攻入关中。张良向刘邦献计，张良说：“沛公想尽快攻入武关，但是前边的秦军仍然强大，秦军假若据险固守，沛公留下宛县不打，绕行过去，一旦宛县秦军跟随在义军后边袭击，加上前边的秦军夹击，到那时，义军将会非常危险。”听了这番话，刘邦连夜率领义军，另选一条道路返回，义军偃旗息鼓，天亮时分，义军将宛县城围得水泄不通。南阳郡守吕齮看到情况紧急，即想拔剑自杀，吕齮的幕僚陈恢讲：“将军还不到死的时候。”陈恢翻过城墙，来见沛公，陈恢讲：“我听说足下与义军将领们商定，先进入咸阳者，在秦地称王。如果足下现在率领义军强攻宛县，宛县附近还有几十座县邑，那些县邑的官吏、百姓们会认为，投降也是死，一定会坚守城池。即使足下能够攻取宛县，沛公的军队也会有很大伤亡。如果沛公现在引军离去，宛县秦军将会在后面紧追不舍。到那时，沛公想攻入武关，攻下咸阳，却不能摆脱宛县秦军在后面的袭击，顾此失彼，前后失据，我为足下担忧。为足下考虑，不如现在与宛县秦将吕齮谈判，迫使吕齮投降，继而任命吕齮为南阳郡守，命令吕齮在原地留守，足下带走吕齮的军队，再向西攻入武关。前边秦朝的县邑，听到足下如此善待南阳郡守，也会争相投降，足下向西进攻，即可免除后顾之忧。”刘邦听了这番分析，连声说：“讲得好。”七月份，南阳郡守吕齮投降，刘邦封吕齮为殷侯，封陈恢为千户。然后率领义军继续向西进攻，所过郡县，纷纷投降。抵达丹水县，秦朝的高武侯鳃、襄侯王陵投降。在回军进攻胡阳县的路上，刘邦遇到番阳县令吴芮的别将梅鋗，与梅鋗合兵一处，攻打析县、郦县，两县先后投降。刘邦率领大军，所过之处，严禁掳掠，秦地百姓非常高兴。刘邦派魏国人宁昌出使秦朝首都咸阳。当月，章邯率领的秦军也向项羽投降，项羽封章邯为雍王。瑕丘县人申阳攻下河南郡。
秦二世三年八月份，沛公刘邦攻下武关，进入秦朝腹地。秦朝宰相赵高异常恐慌，秘密杀害秦二世，而后派人前来与刘邦谈判，妄图瓜分关中，刘邦拒绝赵高的请求。九月份，赵高立秦二世叔叔的儿子嬴子婴为秦王，去皇帝号。嬴子婴设计杀掉赵高，派秦将率领秦军在峣关据守。刘邦整理义军，准备与秦军决战，张良劝说沛公：“秦军依然强大，不能轻敌。此时沛公应该派人在山上布设旗帜，巧设疑兵，而后让郦食其、陆贾前去劝降秦将，晓以利害，这样做才有取胜的把握。”秦将同意媾和，沛公欲就此达成协议。张良又劝说沛公：“这只是秦将愿意投降，秦将手下的将领与士卒，未必肯服从，不如乘秦军懈怠，袭击秦军。”刘邦遂率领义军，绕过峣关，翻过蒉山，猛攻秦军，在蓝田县南，大败秦军。而后率领义军进入蓝田，又在蓝田北面，再次重创秦军，终于打垮秦军。
汉元年冬天 （公元前206年） 十月 （汉初沿用秦历，以十月为岁首） ，五星在东井宿汇聚。沛公来到霸上。秦王子婴乘坐白马素车，脖子上系着丝带，封好皇帝的玺印符节，在枳道旁投降。刘邦手下有些将领提出，杀掉秦王子婴，沛公刘邦说：“当初楚怀王派我入关，就是因为我能够宽厚待人，现在秦王子婴已经投降，杀降不祥。”于是将子婴交予手下官吏，而后率领义军，从西边进入咸阳。在咸阳，看到秦宫巍峨，刘邦欲住在宫中，享受一下皇帝的生活，樊哙、张良劝说刘邦不要效法暴君。刘邦于是命令义军将士封存秦宫中的宝物、府库，将义军带回霸上。萧何趁此机会，将秦廷、丞相府库中的图籍档案等，全部搜集起来。到了十一月，刘邦召集秦地各郡县豪绅、官吏，刘邦说：“父老乡亲们在秦政的严刑峻法下，已经受了很长时间的苦，诽谤者要被判处灭族罪，窃窃私语者要被判处杀头示众罪。我与各路诸侯义军来之前商定，先进入关中者称王，我先进入关中，按照约定，应该在关中称王。现在我与父老们约法三章：杀人者死，伤人及偷盗者按照情节轻重判罪。其余秦法，一律废除。原秦廷官吏，按照原职务留用。我此次率领大军前来，是为了为百姓除害，不是来虐害大家，请回去告诉父老乡亲们，不要害怕！我现在驻军霸上，要等待其他诸侯义军前来，再商议下一步的行动。”而后刘邦派人，在秦地原官吏的配合下，到各县邑告谕当地百姓。秦地的百姓大喜，争先恐后地担着牛羊、酒食，到霸上犒劳义军。沛公谢绝乡亲们的好意，沛公说：“我准备的军粮还有很多，不麻烦乡亲们。”秦地百姓更加喜悦，唯恐刘邦不能留在秦地称王。
有人劝说刘邦：“关中非常富庶，关中的富庶是天下的十倍，又有很好的地理条件。听说秦将章邯已经投降项羽，项羽封章邯为雍王，雍在秦地关中，章邯将会在秦地称王。章邯来了，沛公就不能再留在此地，不如现在即派出军队，守住函谷关，让诸侯军队不能进来。假若沛公的军队不够，还可以在关中征发士卒来补充，共同守住函谷关。”沛公认为这个建议很好，于是派人着手安排此事。十二月份，项羽果然率领诸侯联军从东边向函谷关开进，抵近关前，发现关门紧闭。又听说刘邦已经平定关中，项羽大怒，命令黥布等将领率军攻破函谷关，项羽大军随即开至戏下。沛公手下有位左司马，名字叫做曹毋伤，听说项羽大怒，要攻打沛公，派人向项羽告密，曹毋伤说：“沛公要在关中称王，让子婴做丞相，秦宫中所有的珍宝，已经收入囊中。”曹毋伤想通过告密，求得封赏。项羽的亚父范增劝说项羽，范增说：“沛公在崤山以东时，贪财好色，听说入关以后，珍奇宝物无所取，殊色美女无所幸，此人志向不小。我让人对刘邦望过气，那是龙形，呈五彩颜色，这可是天子气色。将军要尽快地打败刘邦，不能错失机会。”项羽犒赏全军将士，准备第二天清晨大军合击刘邦。在当时，项羽大军有四十万，号称百万。刘邦义军有十万，号称二十万，力量悬殊很大，刘邦不可能战胜项羽。项羽的叔父左尹项伯，与张良曾经是很好的朋友，在半夜里，项伯骑着快马来见张良，将项羽接下来的行动、事情起因，一五一十地告诉张良，让张良与自己赶快逃走，不要在此地等死。张良说：“我为韩王送沛公到此地，走之前不能不告知一声，如果这样离开，不义。”张良与项伯一起去见沛公刘邦。刘邦听闻此消息，大惊失色，继而冷静下来，与项伯先结为儿女亲家，而后刘邦说：“我进入关中后，不敢私取秋毫，登记吏民，查封府库，全是为了等候项将军。把守住函谷关，也是为了防备盗贼。我在此地日夜盼望着项将军的到来，怎么会反对将军！请项伯回去后向项将军解释，我不敢背叛将军。”项伯答应了刘邦替他在项羽面前讲话，随后赶回去。临走前，项伯告诫沛公刘邦说：“明天，你一定要早点来，当面解释。”项伯回去后，将刘邦讲的话详细地告诉项羽，并且强调说：“假若不是沛公在关中打败秦军，将军怎么能这样顺利地进入关中？沛公为进入关中立下大功，将军攻打沛公，说不过去，不如借此机会抚慰沛公一番。”项羽答应了。
第二天，沛公带着数百名骑兵来到鸿门，拜见项羽，沛公诚恳地说：“我与将军合力推翻秦朝，将军在河北作战，我在河南作战，没有想到会在将军之前进入关中，现在秦朝推翻了，在这里与将军会面。可恨的是，有小人挑唆，使得我与将军之间产生裂痕。”项羽说：“是啊，这是沛公手下的左司马曹毋伤告诉我的密报，否则，我不会采取行动。”项羽把沛公留下来，一起喝酒。在酒宴上，亚父范增几次用眼色暗示项羽，要项羽杀掉沛公，项羽没有理会。范增只好站起来，走出帐外，叫来项庄，对项庄说：“君王 （项羽） 为人不忍心。你现在进去，表演剑舞，找准机会，用剑刺杀沛公，要一剑毕命。否则，我们早晚会成为沛公的俘虏。”项庄于是进入帐中祝酒。祝酒完毕，项庄说：“军中没有娱乐，请允许我以剑舞，为大家助兴。”项伯看到这种情况，知道来者不善，即从座位上起身，与项庄一起舞剑，在舞到紧急时，就用身体挡住项庄，保护沛公。樊哙在帐外听说沛公处于危险之中，手持盾牌闯入帐中，怒目直视。项羽欣赏樊哙的勇敢，赏赐樊哙酒肉。樊哙趁此机会责问项羽。接下来，刘邦佯装要上厕所，招樊哙出帐，留下车马随从，独自一人骑马返回汉营。樊哙、靳强、滕公、纪成四人，从小路步行返回，留下张良向项羽谢罪，告知刘邦已经不辞而别。项羽问：“沛公现在何处？”张良回答：“沛公知道将军因守关之事怪罪他，现在已脱身回去，估计已经到了汉营。沛公走之前让我将这对玉壁献给将军。”项羽接受了玉壁。张良又向范增献上玉斗。范增大怒，击碎玉斗，起身说：“我们这些人早晚会成为沛公的俘虏！”
沛公返回汉营。数日后，项羽率领诸侯联军从西边进入咸阳，纵兵屠城，烧杀抢掠，而后将秦王子婴杀掉，放火焚烧秦廷皇宫、殿宇，大军过处，无不残灭。秦地百姓大失所望。项羽派人向楚怀王奏报：义军已经进入咸阳，接下来封王事宜，该如何决定。楚怀王答：“按照原来商定的办。”项羽怨恨怀王，当初没有让自己与沛公一起，向西攻入函谷关，而是让自己北渡黄河，救援赵国，因而耽搁了时间，不能先进入关中。项羽讲：“楚怀王是我们项家立的，没有在战场上立过战功，封王的事情为何要由怀王来决定！推翻秦朝，打下天下，是诸位将军与项籍我拼死挣来的结果。”汉纪元元年春天一月，项羽假意尊怀王为义帝，其实不再听从怀王的诏命。
汉纪元元年二月，项羽在咸阳主持分封，自封为西楚霸王。楚国领地有梁、楚九个郡，在彭城设都。违背原来的约定，项羽封沛公刘邦为汉王。汉国领地有巴郡、蜀郡，后来又加上汉中郡，共辖有四十一个县，在南郑设都。项羽将关中划分为三部分，立秦朝三位叛将为诸侯王：章邯为雍王，在废丘设都；司马欣为塞王，在栎阳设都；董翳为翟王，在高奴设都。项羽立楚将瑕丘申阳为河南王，在洛阳设都；立赵将司马卬为殷王，在朝歌设都；立当阳君英布为九江王，在六县设都；立楚怀王柱国共敖为临江王，在江陵设都；立番君吴芮为衡山王，在邾县设都；立原齐王田建的孙子田安为济北王。项羽将魏王豹迁徙至河东为西魏王，在平阳县设都；将燕王韩广迁徙至辽东为辽东王；立燕将臧荼为燕王，在蓟县设都；将齐王田市迁徙至胶东为胶东王；立齐将田都为齐王，在临淄设都；将赵王歇迁徙至代地为代王；立赵国相张耳为常山王；汉王刘邦怨恨项羽不按照原来的约定，而是将自己封为汉王，想起兵进攻项羽，丞相萧何劝说刘邦，先暂时忍耐，刘邦最终作罢。
汉纪元元年夏天四月，各诸侯王在戏下分手，前往封国。项羽让汉王刘邦率领三万汉军前往封国，此外有一些楚国士兵、诸侯国士兵，还有数万人，愿意追随刘邦。刘邦率领汉军，从杜县向南进入蚀中 （长安通往汉中的山间道路）。 张良与刘邦告别，回去追随韩王，汉王刘邦将张良送至褒中，张良劝说刘邦将栈道烧毁，一来防备诸侯沿着栈道偷袭汉国，二来也是告诉项羽，汉军没有东归的意思。
汉王刘邦来到南郑，手下将领和士卒一路上唱着歌，想着何时才能够重返故乡，很多人在途中逃亡。韩信当时担任治粟都尉，也想逃走，萧何亲自将韩信追了回来。同时把韩信推荐给汉王。萧何说：“君王如果想要夺取天下，一定要重用韩信，让韩信帮助大王实现这个愿望。”汉王于是斋戒沐浴，设立坛场，庄重地拜韩信为大将军。接着，汉王问韩信，有什么夺取天下的奇计妙策。韩信回答道：“项羽背弃盟约，将君王封在南郑，明显是在贬谪君王。君王的士兵均为崤山以东人，他们日夜盼望着，能够早日返回故乡，借他们有东归的愿望，我们即可以与诸侯争夺天下，建立霸业。否则等到天下安定后，百姓均愿意过上和平安宁的生活，到那时，再想要征用他们就难了，现在就要下定决心，向东发展。”接着韩信为刘邦分析，汉军可以打败项羽的条件，以及双方力量的对比，孰优孰劣，还有夺取三秦的设想。汉王听了韩信的一番分析，大喜过望，随即按照韩信的设计，调兵遣将。将萧何留在后方，治理巴郡、蜀郡，萧何为出征将士准备军粮，保障后勤。
汉纪元元年五月，汉王刘邦率领汉军从陈仓道出击，袭击雍县。雍王章邯在陈仓迎击汉军，兵败退走；在好畤县再战，再次被汉军打败，章邯只好率领残军退回至废丘。汉王刘邦平定雍县，而后率领汉军向东进入咸阳，汉军将雍王章邯围困在废丘。接下来，汉军将领在秦地四处拓展领地。
当田荣听说项羽把齐王田市迁徙至胶东，立田都为齐王时，勃然大怒，率领齐军迎击田都。田都战败逃走，投奔西楚霸王项羽。六月，田荣杀田市，自立为齐王。在当时，彭越在巨野，手中掌握有一万多军队，独立于其他诸侯王。田荣授予彭越将军印，命令彭越返回梁地。彭越于是进攻并斩杀济北王田安，田荣遂兼并三位齐王的领地。燕王韩广也不肯到辽东去。汉纪元元年秋天八月，臧荼杀掉韩广，夺取燕王韩广的领地。塞王司马欣和翟王董翳先后投降汉王。
最初，项梁立原韩王后代韩成为韩王，张良担任韩国司徙。后来，项羽认为张良追随汉王刘邦，韩王成没有战功，不让韩王返回封国，带着韩王成来到彭城，又借故将韩王成杀掉。此时，项羽听说汉王刘邦兼并关中，齐国、梁国背叛自己，勃然大怒，将原吴县令郑昌封为韩王，命令郑昌挡住汉军。命令原萧县令角进攻彭越，彭越将角率领的楚军打败。张良此时正在攻掠韩地，写了一封书信给项羽，张良说：“汉军夺取关中，是为了履行盟约，占领关中后，汉王即会停止用兵，不会再打出函谷关，到东面来。”项羽相信了韩信的话，认为刘邦既然不会打出函谷关，也就没有再向西用兵阻挡汉军，而是掉头向北，攻打齐国。
汉纪元元年九月，汉王派将军薛欧、王吸从武关出兵，征调王陵在南阳掌握的军队，从南阳到沛县迎接父亲刘太公和妻子吕雉。项羽听到这个消息，派兵在阳夏县 （今河南太康县） 阻击汉军，汉军不能前进。
汉纪元二年 （公元前205年） 冬天十月份，项羽命令九江王英布在郴县 （今湖南省郴州汝城县） 杀害义帝熊心。陈余怨恨项羽没有封自己为诸侯王，从田荣那里借兵，袭击常山王张耳。张耳战败逃走，投降汉王刘邦，汉王热情地接待了张耳。陈余迎来代王赵歇，继续做赵王，赵王歇投桃报李，封陈余为代王。张良千辛万苦，逃离韩国，沿着小路返回汉王身边，汉王刘邦封张良为成信侯。
汉王刘邦率领大军抵达陕县，安抚关外父老。河南王申阳投降刘邦，刘邦遂在河南故地设置河南郡。刘邦派原韩国太尉韩信进攻韩国，韩王郑昌投降。汉纪元二年十一月，刘邦立原韩国太尉韩信为韩王。刘邦率领大军返回汉中，在栎阳设都，然后派将军们向秦地四周攻略，继续扩大汉国领地，首先攻占陇西。为了扩大领地，刘邦设立军功奖，攻占地域达到万户或者一个郡的将军，赏赐万户食邑。而后整顿后方，加固河上郡 （河上郡后来改称为左冯翊） 要塞。将原秦廷皇室苑囿开放给平民百姓，让百姓们在苑囿中开荒种地，收获粮食。
汉纪元二年春天正月，项羽率领楚军在城阳县进攻田荣，田荣战败，率领残军逃往平原县。平原县百姓抓住田荣，杀了田荣。齐国随后投降西楚霸王项羽，项羽率领大军在齐国焚烧城郭，屠杀百姓，齐国百姓大失所望，遂反叛项羽。汉王刘邦派出大军攻占北地郡，俘虏雍王章邯的弟弟章平，又赦免了章平。汉纪元二年二月，汉王命令秦地百姓拆除原秦国社稷，改立汉国社稷，广施恩德，抚恤民众，采取原秦朝的封赏政策，赐予百姓民爵。蜀郡百姓需要为汉军服徭役，刘邦颁布诏令，免除蜀郡百姓二年的赋税；关中百姓被征召进汉军服兵役者，免除家属一年的赋税和徭役。汉王又让地方挑选年龄五十岁以上的百姓，品德高尚、有修养、有管理能力的老者，担任乡里的三老，每乡一人。选乡里三老一人担任县里的三老，与县令、丞、尉一起，管理地方百姓、实施教化，免除三老们的徭役。每年十月，政府要向三老赏赐酒肉。
汉纪元二年三月份，汉王刘邦率领大军从临晋县渡过黄河，魏王豹投降，率领西魏国军队跟随刘邦，与项羽争夺天下。刘邦攻下河内，俘虏殷王司马卬，刘邦在河内故地设置河内郡。接着刘邦率领大军进抵修武县，陈平在此时叛楚降汉。汉王刘邦与陈平一席长谈，很赞赏陈平的见解，遂任命陈平为参乘，监督汉军中的将军。而后刘邦率领大军，向南从平阴渡口渡过黄河，抵达洛阳。在新城邑，遇到一位姓董的三老，拦住汉王，董老向刘邦提出建议，老人讲：“臣听说‘顺德者昌，逆德者亡’，‘兵出无名，事业难成’。因此说：‘明其为贼，可服敌寇。’当今，西楚霸王项羽无道，杀害义帝熊心，项羽即是天下的残贼。以仁服众，不以勇逞强，以义服众，不以力妄为。君王应该命令汉军将士为义帝穿上孝服，向天下诸侯宣示，此次东征，就是要向项羽讨伐不仁、不义，这样一来，四海之内，即会响应君王的义举。这是当年夏禹、商汤、周武王做过的事情，以仁义讨伐不义。”汉王刘邦说：“讲得好，不是先生提醒，我还真地没有想到这些。”刘邦随即命令汉军为义帝举丧，在三天时间内，袒露身体，为义帝哭祭。刘邦向天下诸侯发出号令说：“当初起义，天下义军共同拥立义帝，北面称臣，服侍义帝。而今项羽竟然将义帝驱逐至江南，还借机杀害义帝，真可谓是大逆不道。寡人今天亲自为义帝举丧，命令全军将士，一律穿上孝服。调遣关中军队，收揽三河有识之士，乘船向南，沿着长江、汉水而下，希望与各诸侯们一起，讨伐西楚霸王，为义帝报仇。”
汉纪元二年夏天四月，田荣的弟弟田横收拢几万人，再立田荣的儿子田广为齐王。项羽已经知道汉军向东进攻的消息，还是率领楚军在齐国镇压反叛，打算打败齐国之后，再回过头来迎击汉军。汉王刘邦抓住这个时机，率领五路诸侯联军，浩浩荡荡地向东讨伐西楚霸王。大军到了外黄县，彭越率领三万军队，归附汉王。汉王拜彭越为魏国丞相，让彭越率军平定魏 （梁） 国领地。而后汉王率领大军攻进项羽的都城——彭城，将项羽宫殿中的美人、宝物尽收入囊中。诸侯将领在楚国王宫中摆开酒宴，尽情欢宴，畅饮美酒，欢呼胜利。项羽在齐国听到都城被占的消息，命令手下将领在齐国继续镇压，项羽亲自率领三万精兵，从齐国鲁县穿过胡陵县，抵达萧县。凌晨时分，楚军向联军发起猛攻，在彭城灵壁东边的睢水河边，楚军与联军大战，楚军大败联军，联军死伤无数，睢水河上，由于尸体雍塞，睢水为之不流。楚军将汉王里三层，外三层地包围起来。大风此时从西北方向骤然刮起，吹得飞砂走石，天昏地暗，房倒屋塌，树木折断。在外围的楚军一时间大乱，刘邦乘此机会，与几十位骑兵冲出重围。此时的刘邦，已经是惶惶如丧家之犬，带着残兵经过沛县，派人去寻找留在沛县的家眷，家人此时已经逃得无影无踪，派去的人没有找到刘邦的家眷。巧合的是在途中，汉王碰上儿子——后来的孝惠帝刘盈，还有女儿——后来的鲁元公主，刘邦将两个孩子拉上车子，急急忙忙地赶路。后边的楚军骑兵仍然在穷追不舍，刘邦此时被追昏了头，情急之下，将两个孩子从车上踢了下来。滕公夏侯婴为刘邦驾车，见此情景，急忙下车，将两个孩子重新抱回车中，最终摆脱了追兵，脱离了险境。审食其带着刘邦的父亲刘太公、刘邦的妻子吕雉从小路逃亡，结果撞上楚军，成为项羽的人质，项羽将刘太公和吕雉羁押在军营中。诸侯联军遭到如此残败，纷纷窜逃。塞王司马欣、翟王董翳随后投降项羽，殷王司马卬在乱军中被杀。
吕雉的哥哥吕泽，此时率领部分汉军，驻扎在下邑县，刘邦率领残部前往吕泽处，暂时安顿。接着收拢打散的汉军，驻扎在砀山县。
汉王向西穿过魏 （梁） 地，到达虞县，对跟随的谒者随何说：“你是否能够前去游说九江王英布，说动他背叛项羽，项羽的军队肯定会去攻打英布。只要英布能够拖住项羽几个月，我夺取天下就有了希望。”随何带着汉王交代的使命，前去游说英布，游说成功，九江王英布背叛楚霸王项羽。
汉纪元二年五月，汉王刘邦将军队驻扎在荥阳县，萧何征调关中五、六十岁的老者和不到服役年龄的青年，到汉军中来报到。韩信也率领部队与汉王会合，汉军重新大振。刘邦率领加强的汉军与项羽在荥阳县南，京县与索邑之间展开拉锯战。这一次，汉军拼死抵抗，终于挡住楚军的攻势。刘邦开始修筑甬道，直达黄河边，用以获取敖仓的粮食。魏王豹向汉王请假回家探视母亲。过了黄河后，魏豹随即宣布脱离汉王阵营，而后封锁黄河渡口，投降楚霸王项羽。
汉纪元二年六月，汉王刘邦回到关中栎阳县。六月六日，立儿子刘盈为太子，大赦天下罪人。汉王命令诸侯的儿子，凡是在关中的，均要到栎阳县集中，担任卫士。汉军引河水淹灌废丘城，废丘投降，雍王章邯兵败自杀。雍地全部平定，刘邦共获取八十余县，随后设置河上郡、渭南郡 （后来的京兆尹） 、中地郡 （后来的右扶风） 、陇西郡、上郡。刘邦命令负责祭祀的官员，按照规定的时间，祭祀天地、四方、山川诸神灵。调集关中汉军驻守在边塞。这一年关中闹灾荒，每一斛米价值万钱，出现人吃人的情况。汉王刘邦安排关中的百姓到蜀郡就食。
汉纪元二年秋天八月，刘邦又回到荥阳，刘邦对郦食其说：“你到魏王那里去，好言规劝魏王豹投降汉军，如果你能够说动魏王豹，我拿魏地的一万户，封予你做食邑。”郦食其去了，但是没有说动魏豹。刘邦只好任命韩信为左丞相，命令曹参、灌婴配合韩信，进攻魏王豹。郦食其返回后，刘邦问：“魏王领兵的大将是谁？”郦食其说：“是柏直。”汉王说：“这是个乳臭未干的毛孩子，他不是韩信的对手。魏王的骑兵将领是谁？”回答说：“是冯敬。”刘邦说：“是秦国将军冯无择的儿子吗？这是一位贤将，但他抵挡不住灌婴。步兵将领是谁？”回答说：“是项它。”刘邦说：“他也不是曹参的对手。我放心了。”到了九月，韩信与各位将领俘虏魏豹，向荥阳报告好消息。西魏国得以平定，刘邦在西魏国故地设置河东郡、太原郡、上党郡。韩信向刘邦请求拨予三万汉军，愿意率领这只汉军向北，一举平定燕国和赵国，再向东进攻齐国，而后向南阻断楚王项羽的粮道。汉王刘邦批准了韩信的请求。
汉纪元三年冬天 （公元前204年） 十月，韩信、张耳率领的汉军向东抵达井陉，进攻赵国，斩杀陈余，俘虏赵王歇。汉王在赵国故地设置常山郡、代郡。十月三十日，天上出现日食。十一月二十九日，天上出现日食。
由于随何策反英布成功，英布率领军队进攻楚霸王项羽在楚国的后方。楚霸王命令项声、龙且率领楚军反击英布，英布与楚军交战不利。汉纪元三年十二月，英布与随何从小路跋涉来到汉军大营。汉王刘邦为英布补充军队，让英布率领这只汉军回去收拢自己打散的军队，而后刘邦返回成皋县。
项羽派兵多次截断汉军运粮的甬道，汉军粮草面临着断绝的危险，刘邦与郦食其商议，如何削弱楚军的力量。郦食其献出一个主意，立战国时六国君主的后代，让他们重新复位来帮助汉军，刘邦没有仔细考虑，即派人去刻制六国王印，准备派遣郦食其分头去任命六国君主的后裔。做完这件事，刘邦又与张良商议，张良提出八条否定的意见，说明做这件事情的危害。汉王刘邦听完张良的分析，口里还含着一口饭，吐了出来，骂道：“这个混蛋腐儒，差点儿坏了老子的大事！”马上命令将已经刻制好的六国王印销毁。又与陈平商议如何削弱楚军的力量，陈平献出一条离间计。刘邦按照陈平的建议，交予陈平四万斤黄金，不问用处，让陈平去离间楚国君臣。
汉纪元三年夏天四月，项羽率领楚军在荥阳外围团团围困住刘邦率领的汉军，刘邦看到情况危急，请求讲和，提出分割荥阳以西归汉国所有。亚父范增劝项羽乘着汉军处于生死攸关的时刻，攻下荥阳，刘邦的情况更加危急。此时陈平采用的反间计，发挥了作用，项羽怀疑亚父的忠心。亚父范增忠心耿耿，看到项羽居然怀疑自己，大怒，遂离开项羽，在返回家的途中，发病而死。
汉纪元三年五月份，刘邦手下将军纪信说：“情况已经非常紧急！臣想了个计策：请让臣假扮作君王，欺骗楚军，然后君王乘乱之机，混出包围圈。”陈平于是乘着夜色将两千余名女子打扮作汉军，从东门冲出去，楚军立即将其包围。与这些女子一起，纪信乘着汉王平时乘坐的一辆车子，上面装饰有黄色车盖，左边插着犛（máo）牛尾。纪信大声喊道：“军粮已经耗尽，汉王请求投降楚军。”楚军高呼万岁，均跑到东门来围观，刘邦乘机与数十名骑兵从西门逃了出去。逃跑前，刘邦命令御史大夫周苛、魏豹、枞公继续固守荥阳。项羽认出来捕获的是纪信，项羽问纪信：“汉王现在何处？”纪信回答：“汉王已经逃出去了。”项羽气的将纪信架在火上烧死。城里的周苛、枞公商议后说：“魏豹是一位反复无常的小人，与这样的人一起守城很危险。”于是将魏豹抓了起来，杀掉魏豹。
汉王逃出荥阳，来到成皋县。在成皋作短暂停留，而后汉王离开成皋，返回关中，整顿汉军，准备再次东征。手下谋士辕生为汉王出主意，辕生说：“汉军与楚军在荥阳地区展开拉锯战，已经持续有几年时间，汉军常常受困。此次汉军出兵，最好从武关出击，项王一定会率领楚军向南迎击汉军，君王此时可以深沟高垒，拒不应战，让荥阳、成皋地区暂且获得修整时间。再命令韩信等人，率领汉军尽快平定黄河以北的赵国、燕国和齐国，而后，君王重新返回荥阳，到那时，双方力量的对比，将会发生根本性转变。如此以来，楚军将要对付多路汉军，力量一旦分散，汉军即可抓住机会，一来分散楚军造成的压力；二来有了充分的休息时间，最后再集中汉军主力，与楚军决战，一定能够致楚军以死命。”汉王认为这个战略制定得很好，遂率领大军出武关，在宛县、叶县之间，与黥布合兵一处，一路上大肆扩军。
项羽听说汉王刘邦在宛县出现，果然率领大军向南，迎击汉军，汉王此次深沟高垒，不再与楚军正面交锋。在同一个月，彭越渡过睢河，与项声、薛公率领的楚军在下邳大战，将留守的楚军打得大败，同时斩杀薛公。项羽命令终公固守在成皋，项羽亲自率领楚军从东边进攻彭越。汉王乘此机会率领汉军向北，打败终公，重新占领成皋。汉纪元三年六月，项羽已经打败彭越，彭越率领残军退走。项羽听说汉军重新占领成皋，随即率领楚军向西猛攻荥阳，终于夺取荥阳城，活捉周苛。项羽对周苛说：“投降吧，我可以封你为上将军，赏赐你三万户食邑。”周苛对着项羽大骂：“你再不快些投降汉军，就要成为汉军的俘虏了，你根本不是汉王的对手。”项羽用鼎烹杀了周苛，又杀掉枞公，俘虏韩王信，然后挥军包围成皋。刘邦此次只好又轻装简从，与滕公一起乘坐一辆车，从成皋北门逃出，一路向北，渡过黄河，来到小修武。而后刘邦假冒使者，清晨单车驰入张耳、韩信的军营中，在他们还未查觉的情况下，夺去二人的军权。刘邦命令张耳向北，在赵国继续征兵。
汉纪元三年秋天七月，天空大角星方位出现彗星。汉王有了韩信的这支生力军，汉军士气又重新大振。汉纪元三年八月间，刘邦将军队布置在黄河沿线，面对着南面的黄河，指挥部设在小修武，准备与楚军再次交战。刘邦手下一位郎中，名字叫做郑忠的劝说汉王，汉军此时最好是深沟高垒，不急于与楚军开战。汉王认为郑忠讲的有道理，随即命令卢绾、刘贾率领二万汉军，包括数百名骑兵，从白马津渡过黄河进入魏 （梁） 地，协助彭越烧毁楚军的粮草和后勤辎重，又在燕县城郭西边大败楚军，攻占睢阳县、外黄县等十七座城邑。汉纪元三年九月，项羽对海春侯大司马曹咎说：“将军小心守卫住成皋。如果汉王前来挑战，千万小心，不要与汉军接战。只要汉军不能向东，我们就达到了目的。在十五日内，我一定会平定梁地，而后再返回来与将军回师。”项羽率领楚军向东迎击彭越。
汉王让郦食其去说服齐王田广，撤除齐军对汉军的防备，与汉军联合起来抗击楚军。
汉纪元四年冬天 （公元前203年） 十月，韩信采纳了蒯通的建议，率领汉军袭击齐军，大败齐军。齐王田广认为郦食其欺骗自己，烹杀郦食其，率领齐国残军向东，逃往高密县。项羽听说韩信已经打垮齐国，正在整军，准备进攻楚军，即刻派龙且前往齐国，救援齐王。
汉军果然在成皋城外向楚军挑战，楚军坚守不出，汉军于是在城外连续几天地高声叫骂，大司马曹咎忍无可忍，终于率军渡过汜（sì）水河，部队刚渡过一半，汉军发起攻击，大败楚军，缴获了大量的金玉财宝。大司马曹咎和长史司马欣在汜水岸边自杀。汉王刘邦率领大军渡过黄河，再次占领成皋，刘邦率领汉军驻扎在广武县，靠近敖仓，就近获取军粮。
项羽收复魏 （梁） 地十余座城邑，听说海春侯曹咎战败身亡，马上率领楚军杀回。汉军此时正在荥阳东边围困钟离眜，听说项羽率领楚军杀到，吓得四下逃窜，躲避楚军。项羽也将楚军驻扎在广武县，隔着一条广武涧，与汉军对峙。两军将士，由于连年征战，此时已经是疲惫不堪，年老的、身体差的还要转输军粮。汉王刘邦、楚王项羽隔着广武涧相互指责。楚王项羽提出要向汉王刘邦单独挑战，刘邦指着项羽说：“我最初与你一起受命于怀王，共同约定，先进入关中者称王。你却事成后违背约定，将我贬黜到蜀汉为王，这是你的第一宗罪；你假借王命诛杀卿子冠军宋义，自封为将军，这是你的第二宗罪；你救援赵国后应该向怀王奏报，却擅自合并诸侯军队，进入函谷关，这是你的第三宗罪；怀王早就有诏命，进入秦地后，严禁烧杀抢掠，你进入咸阳后，却大肆焚烧秦廷宫室，挖掘始皇帝的陵寝，抢掠秦地的财物，这是你的第四宗罪；你擅自杀害秦降王赢子婴，这是你的第五宗罪；你用欺诈手段，在新安县坑杀已经投降的秦军二十万人，把秦军降将封为诸侯王，这是你的第六宗罪；你分封诸侯王不公，自己亲近的人，封到好地方，并且赶走六国君主的后代，致使天下纷扰，臣下叛逆，这是你的第七宗罪；你把义帝赶出彭城，自己霸占彭城设都，夺取韩王的土地，将梁国土地合并进楚国，这是你的第八宗罪；你派人在江南杀害义帝，这是你的第九宗罪；你身为人臣却杀害君主，战胜敌人而杀其降军，你为政不平，立约不信，天下人忍无可忍，都认为你是大逆不道，这是你的第十宗罪。我今天率领义军与各路诸侯讨伐残贼，为了受到你残害，还没有死去的人，向你讨回公道，我为何要与你单打独斗！”项羽听到此，肺都气炸了，埋伏的弓弩手连发弩箭，射中汉王刘邦，刘邦胸部受伤，此时却急中生智，摸着脚说：“贼虏射伤了我的脚！”汉王刘邦伤势很重，躺卧在军营中，张良劝刘邦挣扎着起来，在军营中巡视，以稳定军心，不要让楚军抓住机会。刘邦挣扎着坐起来，在军营里巡视一周，伤势很重，只得用车子载着，飞快地驰入成皋，修养弩伤。
汉纪元四年 （公元前203年） 十一月，韩信与灌婴率领的汉军大败援齐的楚军，斩杀楚将龙且，大军追至城阳县，俘虏齐王田广，齐国丞相田横自立为齐王，前去投奔彭越。汉王刘邦立张耳为赵王。
汉王的伤情逐渐痊愈，又西入函谷关，返回关中，抵达栎阳县，慰问秦地的父老乡亲，置办酒宴招待百姓。而后汉王刘邦将塞王司马欣斩首，头颅悬挂在栎阳的闹市中示众。在栎阳停留四天后，刘邦返回军中，继续在广武县与楚军对峙。关中征调来的士兵源源不断地补充进汉军，彭越、田横率领的军队驻扎在梁地，也在不断地骚扰着楚军后方，截断楚军粮道。
韩信此时已经完全控制了齐国，韩信派人向汉王请求：“齐国南边紧靠楚国，臣在齐国，权力很轻，不足以稳定齐国，请求汉王允许，让臣在齐国暂时代理齐王，否则难以安定齐国。”汉王听到这样的请求，勃然大怒，冲动之下，就要对韩信用兵。张良在一旁劝阻，张良说：“不如因势利导，就此任命韩信为齐王，让韩信守住齐国，挡住项羽。”汉纪元四年春天二月，刘邦派张良带着一枚齐王印，正式立韩信为齐王。汉纪元四年秋天七月，汉王立黥布为淮南王。八月，开始征收算赋 （汉制，百姓十五至五十六岁，每人每年征收一算钱，共一百二十钱，专供军用） 。北部塞外的貉（mò）人、燕人也派出精锐骑兵，前来援助汉王。汉王刘邦下令：军中不幸战死者，官吏为死者准备葬衣、棺材，送回家去。由于实行了很多惠民政策，刘邦已经彻底征服民心。
项羽已经感觉到民心离散，军粮难以为继，韩信此时也准备从齐国向楚军进攻，项羽更加忧虑。汉王刘邦派陆贾前来与项羽谈判，请求项羽释放刘太公，项羽最初不答应。刘邦再次派侯公来说服项羽，项羽终于答应与刘邦签订协约，平分天下，以鸿沟为界，鸿沟以西属汉，鸿沟以东属楚。汉纪元四年 （公元前203年） 九月份，项羽释放刘太公和吕雉，汉军欢呼万岁。刘邦封侯公为平国君。项羽整顿楚军，准备向东撤退。刘邦也在整顿汉军，准备向西撤退，返回关中，张良和陈平劝说汉王刘邦，他们说：“今天的汉国，已经拥有天下一大半的土地，天下百姓归心，各路诸侯已经归附君王，楚军现在是兵困粮尽，这是上天要灭亡楚国的最好时机，如果君王不能在此时抓住机会，取得完胜，将来只怕会养虎为患。”汉王刘邦同意他们的见解。