204年7月，项籍以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。公元前204年11月，刘邦用计再次收复成皋。
项籍在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武(今荥阳北)与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项籍腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。
楚汉订盟后，刘邦在张良、陈平建议下，下令全力追击楚军。公元前202年1月，刘邦、韩信等各路汉军70万人与10万久战疲劳的楚军于垓下（今安徽灵璧县南）展开决战。楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退入壁垒坚守，被汉军重重包围。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“人心都向楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头！”。楚军兵疲食尽，士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽只有率800人突围至乌江（今安徽省和县境），项羽身边仅剩26骑，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。项羽带着26骑大战汉军，全军覆没，项羽不愿被俘受辱，在乌江自刭而死。刘邦还至定陶，都下邳（今江苏邳州市东）。
刘邦胜利以后，封韩信为楚王，彭越为越王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦始假意推辞，后顺水推舟。公元前202年2月28日，刘邦在山东定陶汜水之阳举行登基大典，定国号为汉。后来，刘邦采纳娄敬建议，于202年7月将都城迁到了长安，并采取了一系列措施对皇权进行了巩固。
他先收拾了韩信。在公元前201年，即高祖六年，有人告发韩信谋反，刘邦以计在陈县将韩信抓捕。韩信大声喊冤：“古人说的果然不错：‘狡兔死，良狗烹；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。”刘邦将韩信押到了洛阳，但又没有明确的证据，便释放了他，但降成了淮阴侯。韩信怀恨在心，次年，韩信谋划让陈豨在外地反叛，迫使刘邦亲去平叛，自己在都城袭击太子和吕后。事败露，吕后采纳了萧何的主意，将韩信诱骗入宫抓捕，在长乐宫斩首，留下一个“成也萧何，败也萧何”的成语。
除韩信之后，其他诸侯王如彭越等人亦被消灭，仅剩长沙王吴芮。 后来，刘邦以张良计论功行赏，安定了众将的心，并将六国的后裔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。
在国政上，刘邦采取了休养生息的宽松政策，不仅安抚了人民、凝聚了中华，也促成了汉代雍容大度的文化基础。可以说刘邦使四分五裂的中国真正的统一起来，而且还逐渐把分崩离析的民心凝集起来。他对汉民族的统一、中国的统一强大，汉文化的保护发扬有决定性的贡献。公元前202—公元前195年在位，共8年。
作为汉朝开国皇帝，刘邦的最后确定的庙号为“太祖”，谥号为“高皇帝”。最初，惠帝即位尊刘邦为高祖，景帝因为以其父文帝为太宗，故改高祖之号以为太祖。自汉武帝时代的史学家司马迁开始，习惯性的使用初庙来称呼刘邦，后世多沿用之，因此史称“太祖高皇帝”、“汉高帝”或“汉高祖”。