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沛公引兵西进，除沛县子弟兵外，他还收拢了陈胜、项梁的残兵，兵力达到五六千人。他率领的楚军一开始还颇顺利，打赢了两场小战，又收编了一些独立武力，也跟打着魏国旗号的义军合作。但随着兵马愈益增多，声势壮大了，粮食压力随之而来，于是他转向北方攻击昌邑，那是章邯的后勤粮仓所在。
但是昌邑的守备坚强，楚军久攻不下，刘邦盘算不能被困在昌邑，终于决定放弃，将围攻昌邑的任务留给彭越。彭越是秦末逐鹿大戏的重要角色，他基本上不离开家乡太远，领着梁地（今河南南部一带）义军在本地打游击，起先对抗秦军，后来抵抗项羽，偏偏就跟刘邦合得来。
刘邦绕过昌邑，继续向西，到了高阳（在今开封市内）。本地一位号称“高阳酒徒”的寒士郦食其，平素不治生产，好为大言，对逐鹿群雄都看不上眼，独钟情于刘邦，所以透过朋友向刘邦推荐“同乡郦先生”，刘邦就派人去召唤郦食其。郦食其来到了“宾馆”，沛公高踞床上，正在让女仆为他洗脚，这是非常轻慢的态度（古时床等于椅子，主人若不下床，以跪床见客为礼）。
郦食其没有拂袖而去，他面向刘邦长揖不拜，说：“阁下是要帮秦国攻打诸侯，还是想领导诸侯攻打秦国呢？”
刘邦闻言开骂：“你说的是什么屁话？说我要帮助暴秦攻打诸侯？”
郦食其说：“阁下若是要聚集兵众、联合诸侯攻秦，就不应该以这种傲慢的态度接见一位长者。”
刘邦立刻停止洗脚，起立整肃仪容，恭请郦先生上座，向他致歉，吩咐摆酒食款客，然后请教：“依先生高见，我现在西向进军关中，有什么妙计吗？”
郦食其说：“阁下纠集一些乌合之众、散乱之兵，人数不满一万，想要以此直攻强秦，那无异于羊入虎口。我认为，陈留（在今河南开封市境内）这地方是天下通衢要道，四通八达，陈留县城内又囤积了很多米粮。我跟陈留县令素有交情，请任命我为使节，劝他向你投降。如果他不听从，阁下再发兵攻城，我可为内应。”
刘邦于是派郦食其去游说陈留县令，县令向沛公投诚，刘邦得到陈留，大乐，封郦食其为广野君。
郦食其堪称“逐鹿第一说客”，他这回不但帮楚军解决了粮食问题，更为刘邦西进定下战略基调——怀柔而不力取。
当时秦军的主力都随章邯、王离东征，正在钜鹿包围赵王，从关中到河北之间的郡县守军大多缺乏战斗意志，因此刘邦的怀柔战略大大发挥作用。
这个时候，又一位重要人物来跟刘邦会合——张良。
张良的祖先在战国时世代担任韩国的丞相，可是张良没机会当丞相，因为秦国灭了韩国。张良散尽家财，收买刺客，在博浪沙行刺秦始皇，结果误中副车，秦始皇没事，张良反被通缉。亡命途中遇到奇人黄石公，传授他太公兵法。张良与刘邦一同投奔项梁，他对沛县义军将领（周勃、曹参、樊哙等）说太公兵法，那些将领都听不懂，可是刘邦每次都一听就懂，张良惊叹：“沛公难道是天命所托吗？”
刘邦没读过什么书，哪可能兵法一听就懂？但他能赢得郦食其和张良两大谋臣归心，也可看出他的“天授”。
首先，面对郦食其的顶撞，刘邦没有闻过则怒——换作项羽的话，郦食其恐怕已经人头落地了。而当郦食其证明他那一套确实好用之后，刘邦就此高悬“怀柔”为最高战略，这是刘邦能够始终保持战力，一路挺进关中的原因。
同时，郦食其也因此对刘邦死心塌地，士为知己者死，这是中国读书人的“罩门”。至于张良，往后刘邦对他更是几乎言听计从，因为刘邦识货，发现张良的意见高过其他人，这种“识货”的能力才是“天授”。
张良一心想着帮韩国复国，之前他说服项梁，立故韩王室的公子成为韩王，回韩地打游击，作为楚国的外援。项梁同意，于是张良辅佐韩王回到故土，攻下了好几个县。此时刘邦大军到达，张良追随刘邦西征，韩王则留守阳翟（故韩国首都）。
西征军在南阳（今河南南阳市）遇到抵抗，南阳郡守齮（y ǐ，人名）死守宛城（南阳郡治），刘邦想要绕过，张良看出他急于入关，提出建议：“阁下急着要进武关，可是秦军数量仍多，且扼据险要，如果不攻下宛城，万一宛城部队袭击你的背后，秦军前后夹击，你将立即陷入险境。”于是依张良之计，大军佯作绕路，趁夜急行军转回宛城，天亮时宛城已经被包围三匝！
齮原本以为状况解除了，孰料一觉醒来情势丕变，斗志全失，张皇失措，举剑想要自杀。幕僚陈恢劝住欲轻生的老板，自己跳城晋见沛公，建议公开招降纳叛，封给郡守一个官爵，带走他的兵力，但赋予他守城责任。刘邦本来就不想攻城（郦食其的战略），于是封齮为殷侯，封陈恢为千户（秦制爵位名称），大军继续西行，一路上所有城池都闻风归降。
楚军顺利通过武关，那是关中南边的门户，军情吃紧催化了咸阳城中的宫廷政变，先是赵高发动兵变杀了秦二世，之后派人跟刘邦谈判“分王关中”，刘邦拒绝；不得已，赵高立子婴为秦王（已不敢称帝），子婴又设局杀了赵高，然后派兵增援最后一处险要峣关。
刘邦想要强力攻下峣关，张良提出他的计谋：“我听说峣关守将是屠夫之子（古时候并无屠宰专业，屠夫就是肉铺老板），这种市侩之徒可动之以利。请沛公您留在营垒之中，派一支部队载运五万人的粮秣，在附近山上多张旗号以作疑兵。再令郦食其带着贵重的财富去贿赂秦将，劝他归顺。”
张良对秦将的性格分析果然正确，秦将接受了礼物，表示愿意和沛公联军攻向咸阳。刘邦正高兴，想要答应这个提议，张良却说了：“这只是守关将领一个人动念背叛秦帝国，恐怕士卒并不情愿（因为秦国法律严酷，背叛者的家人会受到惩罚）。如果士卒不听从守将的命令，那就很危险了！不如趁他心防松懈时发动突袭。”于是刘邦发动攻城，大败秦军，攻下峣关，再一路追击，又连胜两仗。就这样大军直薄咸阳城郭。
刘邦派出使节与秦国约降，秦政府此时已完全没有抵抗的意志，于是子婴坐着白马拉的丧车出城，脖子上套着绳索（以示随时准备自杀），带着皇帝的所有印信：玺（发布敕令）、符（调兵遣将）、节（外交使节），在咸阳城外的轵道亭路边，秦国君臣下车，向胜利军投降。多位楚军将领主张立即诛杀子婴。沛公说：“当初大王（楚怀王）指派我西征，就是因为我能够宽容。更何况他已经投降，杀降者一定不祥。”将子婴交付军法官监管，秦帝国就此灭亡。
刘邦进入咸阳秦宫，看见珍禽异兽、贵重的宝物与成群美女，真是心花怒放。记得他初见秦始皇仪仗时说过“大丈夫当如是也”，现在他真的可以好好过一下“大丈夫”的瘾了，当然很想在咸阳宫中长住下来。樊哙进谏，说：“这些玩意儿，都是造成秦帝国灭亡的原因，你要它做啥？请赶快回到灞上军营，不要留在宫中。”刘邦不听。
张良再进谏，说：“秦帝国施政不仁，沛公您才得以进入咸阳宫。如今才刚进入咸阳，就想要跟秦二世一样享乐，这正是所谓‘助桀为虐’（帮助延长暴政）。樊哙所说，是忠言逆耳、良药苦口，沛公还是应该采纳忠言才是。”刘邦于是将秦宫的财物、宝库都加封，自己回到灞上军中。
终于进了咸阳，“大丈夫”可以“当如是”了，刘邦为什么不杀子婴，又退出咸阳皇宫？
从轵道受降那一刻起，刘邦的心态已经不再是“沛公”，而是“关中王”。
不杀子婴是向关中人民展现宽大作风，因为秦国从商鞅变法以来一直是严刑峻法，关中人民对一位宽大的征服者会立即产生好感，这一点跟后面“约法三章”是同一逻辑。
退出秦宫还军灞上也证明了，刘邦能够完全抛弃亭长时代的“大丈夫”梦想。事实上，刘邦往后一再展现“与时俱进”特质，随着他的事业版图扩大而不断自我进步。
离开咸阳城之前，沛公集合咸阳父老，对他们宣布：“父老忍受秦国的苛法太久了！我跟诸侯相约，先入关者为王，所以，我理当称王。本王与各位父老约定三条法律：杀人者死；伤人及窃盗接受与犯行相抵之刑罚；其他秦国的苛法一律废除。我们义军来关中，是为父老除害，不是要抢夺你们的财富，不必担心害怕。”约法三章之后，再派人协同秦国官吏到关中地区所有县、乡、邑布告周知。关中人民简直高兴死了，纷纷带着牛、羊、酒食去灞上劳军，沛公却一律不收，说：“公家粮仓里食物充足，不须老百姓破费。”关中人民这下更喜欢沛公了，生怕刘邦不当秦（关中）王。
虽然率先进了关中，人心也希望他当关中王，可是刘邦不敢，因为项羽要来了。
项羽受楚怀王之命，率军去解钜鹿之围，那一战树立了他的霸王威名，秦将王离阵亡，诸侯晋见项羽时都膝行而前，连抬头都不敢。秦军主帅章邯原本还跟项羽对峙，等到听说赵高要追究他兵败责任，就向项羽投降了。于是项羽带领诸侯大军西进咸阳。可是楚军屠杀钜鹿投降的秦军战俘，被楚军攻打下来的城池也总是遭到劫掠甚至屠杀，因此一路上所有郡县都拼死抵抗，迟滞了项羽西进的脚步。刘邦率先入关的消息传来，项羽更急，愈急就愈猛烈攻击，遭到的抵抗也愈强烈，但是毕竟项羽太强了，大军很快地到达函谷关。
函谷关是一处天险，战国时期诸侯合纵抗秦，联军多次兵临函谷关下，可是都攻不进关中，因此有所谓“以一泥丸塞住函谷关，即可保关中”的说法。偏偏还真的有人跟刘邦提了这个建议，刘邦也真的派出军队防守函谷关。项羽当然大怒，展开攻击，不破的函谷关破了，项羽大军入关，驻军鸿门。
项羽的首席谋士范增对项羽说：“我们以前认识的刘邦，贪财好色。如今他入关之后，却一改作风，财物都不取，美女也不沾，显示他怀有强大野心，应该加速攻击，不能延误，更不可留情。”
项羽决定发兵攻打刘邦，他有一位叔父人称项伯，在楚军担任左尹（左军指挥官），曾经受过张良的恩情，心忧张良安危，趁夜骑马驰往沛公军营，私下见到张良，告知情况紧急，要张良和他一同投奔项羽，“不必陪他（刘邦）送死”。张良不答应，向刘邦报告，两人研判形势，确认打不过项羽，只能拜托项伯帮忙讲情。于是刘邦跟项伯约为儿女亲家，项伯答应了，嘱咐刘邦：“明天一定要早早来向项王致意。”
项伯在夜色中赶回鸿门军营，将情况向项羽报告，说：“如果不是沛公先攻破关中，你又怎么能一路如此顺利呢？如今人家立了大功，却反而攻击他，那是不义的，倒不如以礼待之。”项羽同意。
隔天一大早，刘邦带着一百多骑随从来到鸿门见项羽，放低姿态说：“在下与将军合力攻秦，将军由黄河北面路线进攻，在下攻打黄河南面。没想到在下先打进了关中，而与将军在此相见，如今却有小人中伤，以致将军对在下有所误解。”
项羽说：“那都是沛公的左司马曹无伤来搬弄是非，不然我怎么会这样？”——项羽泄露了告密者的身份，这是当老板的大忌，以后不会再有人向他提供“机密消息”了。
项羽摆宴邀刘邦喝酒，项羽和项伯向东而坐，范增向南而坐，刘邦向北而坐，张良西向陪侍。范增多次以目向项羽示意，甚至三次举起身上佩的玉玦暗示项羽速做决断（玦是环状玉器切开一条缝，象征决断），下令除去刘邦，可是项羽虽然看见了范增的暗示，却默然不应。
范增决定自己安排，起身出外，找到项羽的堂弟项庄，说：“你家老大心肠太软，下不了手。你进去敬酒，敬完酒，就舞剑助兴，找机会在席间击杀沛公。”
项庄进入宴会帐敬酒，敬完酒，说：“大王与沛公饮酒，军中没有什么娱乐，请允许我舞剑助兴。”然后拔剑起舞。项伯一看苗头不对，也拔剑起舞，以自己的身体遮蔽沛公，使得项庄找不到下手空间。
张良看苗头不对，虽然项庄舞剑有项伯挺身而出，可是后面肯定还会出其他花样。他走出帐外，找到樊哙。
樊哙问他：“里面情况如何？”
张良说：“情况紧急。项庄拔剑起舞，每一招都指向沛公。”
樊哙脾气火暴，闻言立即行动，一手持盾、一手仗剑往里闯。门口持着长戟交叉的卫士不许他入内，樊哙用盾牌将卫士撞倒在地上，闯进帐内，分开帷幄向西而立，怒目瞪着项羽，头发都竖了起来，眼角因睁裂而流血。
项羽被他吓了一跳，按剑跪起，问：“来客是什么人？”
张良回答：“是沛公的侍卫长樊哙。”
项羽：“好一位壮士，赐他喝一杯酒。”左右送上可容一斗的大杯酒。
樊哙拜谢，起身一饮而尽。
项羽：“赐他一个猪肩。”左右送上一副生的猪肩。
樊哙将盾牌覆盖在地上，再将生猪肩放在盾牌上，拔剑切肉，大口吃下。
项羽：“壮士，还能再喝吗？”
樊哙说：“在下连死都不怕，岂会推辞一斗酒！当初秦王暴虐，天下人起义抗秦，楚怀王与诸将约定‘先破秦攻入关中者，就在那里称王’。如今沛公先攻进咸阳，秋毫不敢动，封闭宫室，回到灞上，以待大王到来。派人防守函谷关，只是为了防备盗贼、维护治安而已，如此劳苦功高，未有封侯之赏。大王反而听信小人谗言，要杀有功之人。这根本就是已经灭亡的秦国的延续，我真是为大王感到惭愧啊！”
项羽被他这一番义正词严逼住了，一时无以回应，只说：“请坐。”
樊哙坐在张良旁边，大家继续喝酒。
过了一会儿，刘邦起身上厕所，将樊哙等叫出去。
刘邦问樊哙：“我想要借此溜走，可是没向主人辞别，会不会不好意思？”
樊哙说：“做大事不必太考虑小节，行大礼不会介意小责难。此刻的形势是人为刀俎，我为鱼肉，哪还有工夫告辞？”
鸿门距离灞上四十里，刘邦对张良说：“估计我回到军中，你再进去报告。”交代完，刘邦留下所有随从车骑，自己一个人骑马遁逃，樊哙、夏侯婴、靳强、纪信四人手持剑盾疾走断后。
张良在帐外混了一阵子，才进去向项羽道歉，说：“沛公不胜酒力，没办法亲自告辞，嘱咐张良奉上白璧一对，敬献大王足下；玉斗一对，敬赐大将军（范增）足下。”
项羽：“沛公人在哪里？”
张良：“听说大王有责问过失之意，所以先走了，此刻应该已经回到灞上军营。”
项羽收下玉璧，放在座上。
范增收下玉斗，放在地上，拔剑一击，玉斗粉碎。他又气又恼地说：“唉，竖子不足与谋，将来夺取项王天下的，一定是沛公。以后我们都将成为他的俘虏！”
杀不成刘邦，项羽将火气发泄在秦宫。
鸿门宴之后几天，项羽带兵杀进咸阳，杀了投降的秦王子婴；烧掉秦国宫殿（包括阿房宫），大火延烧三个月不熄；将秦宫中的财宝与美女劫掠一空，准备带回江东老家去。
离开咸阳之前，项羽大封诸侯。他恼怒刘邦抢先入关，硬是将刘邦封为汉王，强辩说“汉中一向都是关中的一部分”；将关中之地封给三位秦军降将（合称三秦王）；自称西楚霸王，定都自己的故乡彭城，然后引兵东归，诸侯各自前往封国。
对于项羽的分封，刘邦当然不服气，也一度想发动军队攻打项羽，但是终究被萧何劝阻了。于是沛公现在成了汉王，进入一个新的阶段。
进到咸阳之后，刘邦“升等”了，他的团队也产生了质变：第一是萧何进入秦国丞相府，抄录（并带走）全国户口、土地图籍，显示他有着深谋远虑；第二是樊哙劝谏刘邦退出秦宫，还军灞上，而樊哙原本只是个屠户，再看他在鸿门宴上的慷慨陈词，论述能力十足。
也就是说，刘邦得到天下级人才郦食其和张良而率先入关，本人因此提升到“关中王”的层级，同时他的沛县老干部们也都提升了水平。刘邦不但超越了“沛公刘邦”，甚至超越了项羽。
这一点，范增看见了，但是项羽却并未意识到刘邦的“成长”。换个说法，项羽并未意识到他自己应该是“天子级”，还停留在“彼（秦始皇）可取而代之”的心态，但是刘邦早就超越了“大丈夫当如是”的层次。而刘邦逃过鸿门宴杀劫，并非“王者不死”，其实是因为项羽没把刘邦当对手，项庄舞剑才没杀死沛公。
良数以《太公兵法》说沛公，沛公善之，常用其策。良为他人言，皆不省。良曰：“沛公殆天授。”
——《史记·留侯世家》