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项羽在巨鹿之战消灭秦军主力后，也率军向关中进发。公元前206年12月，听说刘邦已平定关中，刘邦的属下曹无伤对刘邦很不满，他暗地里派人向项羽挑拨说：沛公刘邦想在关中做王，让子婴做宰相，自己将秦的财物都纳入私囊。项羽大怒，当即命当阳君英布攻破函谷关。范增也劝项羽趁机除掉刘邦这个对手。项羽就下令准备，要在第二天进攻。这时的刘邦在兵力上无法和强大的项羽相抗衡，他只有10万军队，不可能战胜项羽的40万精兵。大难临头之际，刘邦却迎来了一位救星。
这个救星恰恰就是项羽的叔叔项伯。刘邦的谋臣张良曾经救过项伯一命。项伯听说项羽马上就要进攻刘邦，就潜入刘邦军中，想把好友张良带走。张良却说：沛公有难，我不能走，除非把这个事情告诉他。张良将事情的严重性告诉了刘邦，刘邦要张良赶快考虑对策。张良说：你现在应亲自对项伯说明，你不敢背叛项王。刘邦为感激项伯便与项伯约为儿女亲家，然后说：我入关之后，秋毫不犯，登记吏民，封存府库，以待将军。之所以遣将守关，是为防备盗贼和其他意外。我日夜盼望将军到来，怎么敢反叛呢！希望您能替我向将军解释这个情况。并表示次日即向项羽赔礼。项伯即连夜返回，把刘邦的话回明项羽，并劝告说：是刘邦先破关中，你才有机会进入关中，刘邦立了大功，应该好好待他。项羽遂同意取消进攻计划。
第二天早上，刘邦率张良、樊哙和100多个骑兵来到项羽的驻地鸿门，向项羽赔礼。项羽宴请刘邦，席上明争暗斗，剑拔弩张，演出了历史上著名的鸿门宴。项羽要借此时机杀了刘邦，却被刘邦借故脱身躲过。鸿门宴后，项羽即率兵西屠咸阳，杀秦王子婴，烧秦宫室，掳掠财物、妇女，然后东归。因楚怀王坚持誓言——先入关者王，逆了项羽的心思，公元前206年5月，项羽以最高统帅的身份，佯尊楚怀王为义帝，立诸将为王、侯，诸侯王共分封了18个。项羽自立为西楚霸王，管辖梁、楚九郡，都彭城，立刘邦为汉王，管辖巴、蜀、汉中41县，居地南郑（今陕西南郑）。
4月，项羽遣诸侯各自就国，刘邦也只好前往南郑。项羽当时只给了他3万士兵，加上自愿随从的几万人，也不到10万人。为了防备其他诸侯的袭击，同时，也为了向项羽表示不再东出争夺天下，刘邦接受张良的建议，把通往汉中的栈道烧了。这样，从陈胜开始反秦到秦灭亡，长达3年的战乱暂时平息。
刘邦身居南郑并不满足汉王的封号，只是鉴于势单力薄，暂时没有反对项羽。而到了南郑之后，一方面刘邦所率士卒不服水土，思念东归，他必须立即决断；另外，由于分封不均，齐国田荣起兵反叛，陈余打败张耳立歇为赵王，诸王反叛项羽也为他提供了东进的机会。刘邦决定出关与项羽一决雌雄，恰好丞相萧何又向他推荐将才韩信，认为必欲争天下，非信无可与计事者，他便任命韩信为大将。刘邦让他全权部署作战计划。公元前206年5月，刘邦以萧何为丞相，留守巴蜀，安抚后方，自己则和韩信率领大军暗渡陈仓（今陕西宝鸡东），很快占领了整个关中，楚汉战争正式爆发。
公元前205年，正当项羽与齐、赵激战时，刘邦率兵出关向中原进军。汉军声势浩大，共56万人，东向伐楚，次年4月，攻下了彭城。
项羽听说刘邦已经占领彭城，便率领精兵3万，急返彭城。结果，项羽大破汉军，汉军沿谷、泗二水退逃，被杀死十几万人。又在灵璧（今安徽省东北）东濉水上被项羽追上，十几万汉军被杀死，濉水为之不流。刘邦仅与数十骑逃脱，项羽还从沛县掳来刘邦的父亲、妻子做人质。各路诸侯看到刘邦大败，纷纷叛离。
刘邦退到荥阳之后，萧何从关中派来部队增援，韩信也收拢散余军队来会合。汉军重振旗鼓，在荥阳南边打败了项羽，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，分化了项羽的兵力。但是后来项羽派兵侵扰汉军的运粮通道，最终将荥阳的汉军围困起来。刘邦只好向项羽求和，提出以荥阳为分界线，荥阳以西为汉。项羽想答应刘邦，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。刘邦认为范增是项羽的重要谋臣，必须除掉他，才能击败项羽。刘邦就采用了陈平的离间计，待项羽派使者来劝刘邦投降时，刘邦就让人先摆出盛情款待的样子，送去精美的食品，及见了使者，又故意惊奇地说：我们听说是亚父的使者来了，原来是项王的使者啊。接着就将精美的食品撤了下去。结果使者非常生气，回去便告诉了项羽。项羽信以为真，从此不再听范增的意见了，怀疑他背叛自己，私下和刘邦交往。
范增得知内情，勃然大怒，对项羽说：大王您自己多保重，我还是回老家做一个平民百姓吧！范增负气离开了项羽，但没能到达彭城，就病死在半途中。
范增走后，项羽加紧进攻荥阳，刘邦只好设法从荥阳突围。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假降，刘邦则从西门出城突围。纪信将项羽的大部分军队吸引住，使得刘邦脱身，结果项羽一气之下将纪信烧死。
拿下荥阳之后，项羽又占领了成皋（今河南荥阳氾水镇）。后来刘邦集中兵力将成皋收回，然后围困荥阳。项羽回师救援，和刘邦在荥阳东北部的广武山一带对峙，时间长达几个月。项羽急于和刘邦决战，因为刘邦的粮草供应顺畅，而他的粮草供应却常遭到彭越的袭击。为了尽早结束战斗，同时迫使刘邦投降，项羽就把原先俘获的刘邦的父亲押到了两军阵前，他对刘邦说：你如果再不投降，我就把你的父亲杀了！
刘邦心中愤怒，却表现得不以为然，笑眯眯地对项羽说：我和你曾经＇约为兄弟＇，所以我的父亲就是你的父亲了。如果你一定要煮了我的父亲，那就请便吧。不过，别忘了给我也留一碗肉汤。项羽气得七窍生烟，当场就下令要将刘邦的父亲杀死。项伯急忙上前劝道：将军，现在天下归谁，我们无法预料，何况争天下的人都是不顾家人生死安危的，杀了他的亲人也起不了多大作用，相反会增加双方的仇恨。项羽只好命人将刘邦的父亲带回去。
知道杀刘邦的父亲不灵，项羽又要与刘邦单独决斗。刘邦没有上他的当，却说：我和你只斗智，不斗勇。接着骂项羽有十大罪状，第一，你负前约，没有让我称王天下，而是称王蜀汉；第二，你杀死上将军宋义，取而代之；第三，你救赵之后，本该息兵，却进军关中；第四，火烧阿房宫，中饱私囊；第五，你杀死秦王子婴；第六，你坑杀秦的投降士卒20万；第七，对诸侯王分封不公；第八，将义帝赶出彭城，自己占为都城；第九，你暗害义帝；第十，不但以臣杀主，政事也不公平。我现在率领众将领来诛杀你这残忍的逆贼，何必非要和你单独决斗呢！项羽听了，气得拉弓射了刘邦一箭，虽正中刘邦的胸部，但却被刘邦逃过死劫。
刘邦和项羽在对阵了10个多月之后，刘邦有幸得到关中和蜀地的支援，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（今河南荥阳中牟、开封一带）为界，东西分治。协定达成之后，项羽将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，让项羽回到彭城，等于是放虎归山。刘邦立即命令追击，同时派人命韩信和彭越合击项羽。
公元前202年10月，刘邦的军队在固陵（今河南太康西）追上了项羽，然而，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，问谋士张良有何良策。张良说大王如果能封给韩信齐地（今山东北部和河北南部），封给彭越梁地（今河南商丘等地），那他们两个肯定会火速进兵。刘邦按张良的主意给韩信和彭越许诺，在击败项羽后立即封他们为齐王和梁王，这正合俩人心意，所以，韩信和彭越也很快有了回音——立即进兵。同时，楚的大司马周殷也被刘邦派人劝降，淮南王英布也领兵赶来会师。汉军会合各路援军共30万，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，走投无路的项羽在帐营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！虞姬唱道：汉兵已略地，四放楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生。
虞姬含泪自刎，项羽率领800骑兵趁夜突围。第二天早晨，汉军才发现项羽已经突围而去，刘邦命令灌婴率骑兵火速追击。项羽在渡过淮河后，身边只剩下了100人，到达阴陵时，因为迷路走入大泽之中。从大泽出来后，项羽向东撤退，在东城被灌婴的骑兵追上。项羽的随从只有28人了，和汉军激战三次，杀伤几百汉军后，项羽最后横剑自刎。至此，楚汉战争以项羽的失败而结束。