刘邦东出后项羽采取先齐后汉方针导致主力被牵制，汉军逐步占优
沛公入秦宫，宫室帷帐狗马重宝妇女以千数，意欲留居之。樊哙谏沛公出舍，沛公不听。良曰：‘夫秦为无道，故沛公得至此。夫为天下除残贼，宜缟素为资。始入秦，即安其乐，此所谓“助桀为虐”。且“忠言逆耳利于行，毒药苦口利于病”，原沛公听樊哙言。’沛公乃还军霸上。”
项羽于巨鹿（今河北平乡西南平乡镇）歼灭秦军主力，取得诸侯上将军地位，实力雄厚。亦率诸侯军40万、秦军降卒20万直奔关中。中途，项羽恐秦降卒哗变，在新安（今河南渑池东）将他们全部坑杀。汉元年（前206年）十二月（汉初承秦制，十月为岁首），项羽命英布攻破函谷关，进驻鸿门（今陕西临潼东），意图消灭刘邦集团。刘邦军不足10万，自料力量不敌，竭力拉拢项羽的叔父项伯请为调解，并亲赴鸿门，表示诚意，动摇了项羽决心。战争没有立即爆发。
同年二月，项羽凭藉其在军事上的压倒优势，裂土分封18个诸侯王，恢复封建割据。自立为西楚霸王，定都彭城（今江苏徐州市）。封刘邦为汉中王，定都南郑（今陕西汉中市城东）。将关中分为三部，封秦降将章邯、司马欣、董翳分别为王，企图通过他们控制关中，将刘邦困锁在边险地区，刘邦采纳萧何建议，确定了收用巴（郡治江州，今重庆市北嘉陵江北岸）、蜀（郡治成都，今属四川），还定三秦，东向以争天下的方略。“
项王、范增疑沛公之有天下，业已讲解，又恶负约，恐诸侯叛之，乃阴谋曰：‘巴、蜀道险，秦之迁人皆居蜀。’乃曰：‘巴、蜀亦关中地也。’”“
汉王怒，欲谋攻项羽。周勃、灌婴、樊哙皆劝之，何谏之曰：‘虽王汉中之恶，不犹愈于死乎？’汉王曰：‘何为乃死也？’何曰：‘今众弗如，百战百败，不死何为？《周书》曰“天予不取，反受其咎”。语曰“天汉”，其称甚美。夫能诎于一人之下，而信于万乘之上者，汤、武是也。臣愿大王王汉中，养其民以致贤人，收用巴、蜀，还定三秦，天下可图也。’汉王曰：‘善。’乃遂就国，以何为丞相。”四月，忍忿前往汉中就国。途中烧毁所过栈道，防止诸侯军偷袭，并借此表示无东向之意，“汉王之国，项王使卒三万人从，楚与诸侯之慕从者数万人，从杜南入蚀中。去辄烧绝栈道，以备诸候盗兵袭之，亦示项羽无东意，”以麻痹项羽。项羽亦于同时班师彭城。
五月，未获项羽封王的田荣于齐地（今山东大部）起兵反楚，自立为齐王，项羽发兵击齐。刘邦乘项羽无暇西顾和三秦王立足未稳之机，“决策东乡，争权天下；”令萧何收取巴、蜀租赋补给军队，以韩信为大将、曹参为前锋统兵数万，积极部署东进。八月，汉军潜出故道（因临故道水得名，治今陕西凤县北风州之西），袭击雍地，进围章邯军于废丘（雍都，今陕西兴平东南）。同时分兵攻取陇西（郡治狄道，今甘肃临洮南）、北地（郡治义渠，今甘肃宁县西北）、亡郡（郡治肤施，今陕西榆林鱼河堡），迫降塞王司马欣、翟王董翳，迅速还定三秦，袭占关中大部地区；随后，命部将薛欧出武关（今陕西丹凤东南）向楚地进军，被楚军阻于阳夏（今河南太康）。
项羽在两面受敌的情势下，采取先齐后汉方针，继续攻齐，主力被牵制在齐地。刘邦再度抓住战机，一面巩固关中，一面扩张势力，亲自率军由函谷关出陕县（今河南三门峡市西）东进。迫降河南于申阳、韩王郑昌；魏王豹率军归附，继而俘虏殷王司马卬，迅速占领了今河南及山西中、南部广大地区，造成东进的有利态势。
刘邦
汉二年（前205年）四月，刘邦乘齐、楚两军胶着之际，在洛阳接受董公“兵出无名，事故不成”，“明其为贼。敌乃可服”的建议，以项羽杀害楚怀王为口实，为义帝报仇讨逆为政治号召，联络各地诸侯王，率联军56万攻楚，一举袭占楚都彭城。项羽留部将继续击齐，自率精兵3万疾驰南下乘刘邦陶醉于胜利，毫无戒备之际，以少胜多，大败汉军，收复彭城。刘邦仅率数十骑突出重围，逃回荥阳（今河南荥阳东北古荥镇）。此役，汉军被歼数十万，元气大伤。
刘邦战败，诸侯纷纷背汉向楚。为摆脱被动局面，刘邦争取英布，重用韩信、彭越，从各方面联合反楚力量。军事上，则利用荥阳、成皋（今河南荥阳西北汜水镇）有利地形，分兵扼守险要，以争取时间，发展自己，待机再战。同年五月，刘邦在荥阳得到萧何征得的关中兵员补充，韩信亦率援军赶到，在荥阳东战败楚军，阻遏了楚军西进攻势。楚汉双方在荥阳、成皋一线相持，战局相对稳定。六月，刘邦回返关中，引水攻破废丘，消灭章邯，尽占关中。随之采取立太子、赦罪人、立法令、设县邑，加强边塞守备等措施，以建立稳固的后方基地。八月，又回到荥阳前线。
汉三年（前204年）初，楚军对汉军正面防线发动攻势，数次切断汉军运粮甬道，攻占荥阳、成皋。刘邦败逃关中。为调动项羽，分散其兵力，摆脱固守城池，被动挨打的局面，刘邦采纳谋士辕生建议。于五月率军出武关，兵至宛（今河南南阳市）、叶（今河南叶县西南）。项羽急于寻汉军主力作战，果然率军自荥阳、成皋南下宛、叶。汉军坚壁不战。此时，彭越攻占楚后方重镇下邳（今江苏睢宁北古邳镇），迫使项羽回师解救。汉军乘机迅速北上，收复成皋。六月，项羽回军，对汉军发动第二次攻势，再占荥阳、成皋，并挥军西进。汉军败至巩县（今河南巩县西南），深沟高垒，阻击楚军。为减轻正面压力，刘邦遣刘贾、卢绾率兵2万增援彭越，在楚后方攻城略地，断楚粮道，迫项羽第二次回兵东击彭越，汉军再次收复成皋。
汉二年（前205年）八月，魏王豹踞河东（郡治安邑，今山西夏县西北禹王城）反汉，威胁汉军侧翼。刘邦先派郦食其游说未成，即命韩信率军进攻。韩信突袭安邑，生擒魏豹。刘邦继而采纳韩信“北举燕、赵，东击齐，南绝楚少粮道，西与大王会于荥阳”的建议，给韩信增兵3万，开辟北方战场。同年闰九月，韩信首先破代。
汉三年（前204年）十月，越过太行山，与赵军战于井陉口（今河北井陉东南），韩信一反常规，背水设阵，大败赵军。随之乘势不战而降燕。汉四年（前203年）十一月，又大破齐、楚联军于潍水（今山东潍河）之滨，平定齐地。至此，韩信东进2000余里，从东、北两面形成对楚军的战略包围态势，直接威胁楚大后方。汉三年（前204年）十一月，刘邦在正面对楚作战的同时，遣谋士随何游说九江王英布叛楚附汉。英布据有九江（郡治寿春，今安徽寿县）、庐江（郡治舒县，今安徽庐江西南）二郡，具有相当实力。英布归汉，项羽侧翼危急，忙遣龙且进攻九江军。刘邦达到了在南方牵制、分散楚军之目的。项羽第二次率军东击彭越，兵至睢阳（今河南商丘西南），闻汉军再次收复成皋，急忙引兵回救。汉军据险坚守,，双方在广武（今河南荥阳东北）形成对峙。是时，楚军北有韩信据齐地威胁都城；腹地有彭越游动作战，又须分兵南据九江，以致兵力分散，腹背受敌，粮草匮乏，欲战不能。刘邦则据荥阳、成皋之战坚守不战。汉四年（前203年）八月，楚军粮尽，被迫与刘邦订立和约“中分天下”，划鸿沟（古运河，位于今河南荥阳以东）为界，东归楚、西属汉。楚汉两军在荥阳、成皋一线相持两年零五个月后，休兵罢战。
垓下之围示意图
汉四年（前203年）九月，项羽遵约东撤，刘邦亦欲西返。张良、陈平认为“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。刘邦遂背约，向楚军突然发起战略追击，并约集韩信、彭越南下合围楚军。汉五年（前202年）十月，刘邦追击楚军至固陵（今河南太康南），因韩信、彭越按兵不动，未如期会师，遭楚军攻击，大败，被迫坚壁自守。刘邦从张良计，分别给韩、彭割地封王。十二月，调集韩信、彭越、英布、刘贾等各路大军40万人，将10万楚军包围于垓下（今安徽灵璧，一说今河南淮阳、鹿邑间）。楚军兵少食尽，屡战不胜。夜闻楚歌四起，军心瓦解。项羽率800骑突围南逃，刘邦派兵追击。项羽至乌江（今安徽和县东北苏皖界上的乌江镇）兵败自刎。垓下一战，刘邦全歼楚军，获得最后胜利，建立了西汉王朝。
楚汉战争历时3年多，战地之辽阔，规模之巨大，用兵韬略之丰富，前所未有，在中国古代战争史上占有重要地位。名将韩信在战争中显示了其卓越的统帅才能。先还定三秦之战、再破代、攻赵、降燕、伐齐，最后在垓下全歼楚军，其还定三秦之战暗渡陈仓；井陉之战背水一战、拔帜易帜；潍水之战以水冲敌、半渡而击；垓下之战四面楚歌、十面埋伏。韬略之丰富，用兵之灵活，在中国战争史上写下的光辉的篇章，亦为历代兵家所推敬借荐。