最初，刘邦并没有东进和项羽争雄的打算，但他到了南郑之后，形势的变化促使他下决心东进，和项羽争夺天下。其中一个原因是将士们不服南郑地方的水土，日夜思念家乡，士气低落，二是项羽封在齐国的田荣嫌项羽分封不公，起兵反叛，这给刘邦创造了进兵的绝好机会。正巧此时刘邦得到了大将韩信，萧何对刘邦说，如果要争霸天下，非重用韩信不可。韩信被封为大将后，提议立即出兵东进。
公元前206年，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（现在中国中西部陕西宝鸡东）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增，逐渐占据上风，最后将项羽彻底打败。
刘邦东进之后，曾经趁项羽和齐、赵交战之机拿下了河南，攻克洛阳，然后挥师东进，攻下了彭城。原先项羽打算在平定齐和赵后再和刘邦决战，现在见刘邦攻下了彭城，便领精兵三万急行军赶回，趁刘邦设酒宴庆功之机，在清晨发动袭击，一天之内便将汉军打败，在汉军撤退时，又被项羽追杀消灭了十几万人。到了灵壁（现在安徽宿县西北）东边的濉水又被项羽追上，又丧失十几万军队，刘邦的父亲和妻子吕后被项羽抓获。原来跟随刘邦的其他路诸侯王见刘邦大败，先后舍他而去。
刘邦退到荥阳之后，得到了萧何的增援部队，韩信也收拢被打散的军队会合。汉军又重振旗鼓，在荥阳的南边打败了项羽的军队，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，也使项羽因为要分兵镇压而消弱了兵力。但项羽毕竟不是一般人物，他派兵侵扰汉军的运粮通道，最终将荥阳的汉军围困起来。刘邦无奈，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。刘邦见范增从中作梗，就采用了陈平的离间计，使项羽逼走了范增。
范增走后，项羽加紧进攻荥阳，刘邦也设法从荥阳突围。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诈降，刘邦则从西门出城突围。纪信果然将项羽的大部分军队吸引住，结果项羽没有抓住刘邦，一气之下将纪信烧死了。
楚汉双方对阵了十个多月，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、粮草不足。项羽和刘邦讲和，以鸿沟（现在河南荥阳、中牟和开封一线）为界，东西分治。然后项羽将刘邦的父亲和妻子送还。
?决战垓下
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。刘邦命令追击，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，张良说如果能给韩信、彭越封地，他们定会火速进兵。刘邦马上派人许诺韩信和彭越击败项羽后封他们为齐王和梁王。韩信和彭越答应立即进兵，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。项羽突围后被汉军追击，最后自刎而死，楚汉战争结束。
?称帝建汉迁都长安
公元前202年，刘邦正式称帝，建立汉朝。开始刘邦将都城定在洛阳。刘邦在洛阳的庆功会上，和众人总结楚汉战争胜败的经验教训。高起和王陵说，刘邦之所以能战胜项羽，是因为刘邦能与大家同甘苦，共患难，而项羽却自私自利。刘邦总结自己取胜的原因说：“论运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我不如张良；论抚慰百姓供应粮草，我又不如萧何；论领兵百万，决战沙场，百战百胜，我不如韩信。可是，我能做到知人善用，发挥他们的才干，这才是我们取胜的真正原因。至于项羽，他只有范增一个人可用，但又对他猜疑，这是他最后失败的原因。”刘邦的总结很准确，战争的胜败，人的因素总是最重要的。
后来，一个叫娄敬的士卒从山东赶来见刘邦，说刘邦得天下和先前的周朝不一样，所以不应像周朝那样以洛阳为都城，应该到关中定都，这样便可以在秦地固守险地，国家才能长治久安。他的意见遭到很多人反对，张良则同意娄敬的建议，他说关中是“金城千里，天府之国”，退可守，攻可出。刘邦于是将都城迁到了长安。
?继承秦的制度
历史上有一种通称，叫“汉承秦制”，即汉朝的规章制度基本上都是继承秦朝的。不过汉朝的统治政策中将原来秦朝的残酷刑法和严厉的治国思想改变了，用一种清净无为的黄老思想为治国的指导思想，体现在经济方面就是减轻百姓赋税的负担。
汉朝的政治制度基本上是秦朝的延续，中央是三公九卿，地方是郡县制。（有关内容请参考“秦始皇”）除了郡县制外，还实行分封制，即分封诸侯王到地方建立诸侯国和王国。最初，分封的是异姓王，如韩信等人，到后来只剩下了长沙王吴芮，其他的王基本被杀。消灭了异姓王，刘邦又封了九个同姓王，都是刘邦的儿子、侄子和兄弟。但后来的事实证明他们也没有起到好的作用，也发生了叛乱。
?巩固皇权的措施
为了巩固皇权，刘邦首先消灭的是各地的异姓王。公元前201年，有人告发韩信谋反。陈平建议刘邦以巡游云梦为借口，在各诸侯王到陈县（现在河南淮阳）聚集拜见时将韩信抓获。韩信大声喊冤：“古人说的果然不错：‘狡兔死，走狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’现在天下已经平定，我这样的人也早就该烹杀了。”刘邦因没有证据，便释放了他，但降为淮阴侯。这使韩信怀恨在心。
第二年，吕后用了萧何的主意，将韩信诱骗入宫抓捕，最后在长乐宫斩首，留下一个“成也萧何，败也萧何”的成语。除了韩信，其他诸侯王如彭越等人也被消灭，只剩下了长沙王吴芮。对于六国的后裔，刘邦则将他们和地方的名门望族共十几万人全部迁到关中居住，置于中央控制之下，消除了后顾之忧。
对于丞相，刘邦通过把萧何下狱来打击削弱相权。在刘邦平定了英布叛乱回到长安后，萧何提议把上林苑开放，让百姓去耕种，因为上林苑基本上已经荒芜，并不是养兽供皇帝狩猎的地方。刘邦一听就恼了，说萧何拿了商人的贿赂，所以才替他们说话，借百姓之名为商人牟利。刘邦将萧何关进了监狱，通过打击功臣萧何，在削弱相权的同时将皇帝的权力提高了。
?箭伤致死
做了皇帝，为了皇权的巩固，刘邦费尽心机。本来他年龄就大，在平定英布叛乱时又中了箭伤，到了长安病情加重。吕后问他死后人事的安排，刘邦说萧何之后用曹参，曹参之后用陈平。让周勃做太尉。吕后又追问以后怎么办，刘邦有气无力地说：“以后的事你不会知道了。”刘邦死于公元前195年，终年62岁（虚岁），葬于长陵，谥号高皇帝，庙号高祖。