见大势已去，只得献城投降，将玉玺亲手交给了刘邦，秦国至此灭亡。
刘邦入咸阳后，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦很留恋，准备住在咸阳享受。樊哙劝他：天下还没有平定，别忘了秦的前车之鉴。刘邦听不进去， 张良出面劝说，刘邦才决定将军队撤退到灞上。
到达灞上之后，刘邦约法三章：杀人者死，伤人及盗抵罪。其他秦朝的苛刻法制一律废除，得到了民心的支持。
项羽打败章邯，迫投降投降，率兵直奔关中。范增劝他除掉刘邦，项羽就下令次日进攻刘邦。刘邦军队仅十万，无力与项羽四十万精兵抗衡。项羽的叔叔项伯和刘邦的谋士张良要好，连夜潜入营中找张良，劝他赶紧离开。张良将消息透给了刘邦，刘邦问张良要计，刘邦以张良计见项伯，说明自己并无称王野心，并于项伯约成儿女亲家。项伯当夜里返回军营，对项羽说：“因沛公先行进入关中，为我们扫除了入关的障碍，我们这才能顺利地通过函谷关，沛公是有功劳的人，我们不应该猜疑他，而应真诚相待。”项羽决定不再进攻刘邦。
次日，刘邦只带了樊哙、张良和一百名精锐亲兵，到了项羽的大帐鸿门，当面向迎接他的项羽赔礼道歉，项羽请刘邦赴宴。项羽的亚父范增主张杀掉刘邦，酒宴上，一再示意项羽发令杀刘邦，项羽却犹豫不决，默然不应。范增召项庄舞剑为酒宴助兴，趁机杀掉刘邦。项伯为保护刘邦，也拔剑起舞，掩护了刘邦。鸿门宴上，刘邦表现出现了极高的沉着与冷静。后借故离开，回到了大营。这就是 “项庄舞剑，意在沛公”的由来。
鸿门宴之后，项羽自称为西楚霸王，分封18诸侯，封刘邦为汉王，领巴蜀及汉中四十一县，国都为南郑（现在的陕西南郑）。故意封秦降将章邯、司马欣、董翳(yi)为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。刘邦忍气吞声接受封号，于四月领兵入汉中、并烧毁栈道(用木板架在悬崖上铺成的道路)，表示再也无意出兵，以麻痹项羽。项羽率军东归，定都彭城(今江苏省徐州市)。11月，刘邦挥军东出，拜韩信为大将，明修栈道，暗渡陈仓 (今陕西省宝鸡市东) ，名为义帝发丧，派人联络诸侯，公开声讨项籍，拉开了4年楚汉战争的序幕。
公元前205年5月，刘邦乘项籍在齐国停留的机会，率领诸侯联军56万一举攻占彭城。项羽闻之，急率轻骑兵3万奔袭，歼联军30余万，刘邦仅率数十骑逃脱，反楚联盟瓦解。
同年6月，刘邦到达荥阳，击败了楚追兵，稳住了阵脚，他依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。7月，刘邦派兵攻废丘，迫章邯自杀，解除了后顾之忧；派人说服英布反楚，联络彭越扰楚后方；派韩信开辟北方战场，攻魏俘魏王豹，破代，灭赵杀陈余。公元前205年冬，项羽发动反攻，围困荥阳。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃出荥阳。
为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛(今河南南阳)、叶(今叶县南)，想引诱项籍南下。为配合汉军行动，韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。时彭越正在进攻下邳 (今江苏邳州南) ，项籍被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。公元前
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