沛公出來以後，項羽派都尉陳平去召喚沛公。劉邦問他的手下人說：「現在我沒有告辭就出來了，這可怎麼辦啊？」樊噲說：「做大事不應顧及細節，講求大禮就不必在乎小的責難。現在人為刀俎、我為魚肉，還告辭幹什麼！」於是沛公決定立即離去，而留下張良致謝。鴻門與霸上相距四十餘里。為了盡快脫險，沛公丟下了車騎，騎馬逃離，而樊噲、夏侯嬰、靳強與紀信四人手持劍、盾，徒步跟隨，護衛沛公。他們從驪山下來，經過芷陽以後，抄小道行進。此前，劉邦告訴張良說：「從小路到達我軍中不過二十里的路程。估計我到達軍中以後，你再回到軍帳裡告辭。」張良估計沛公等人已經回到軍中，他便入帳辭謝說：「沛公不勝酒力，不能親自來告辭。他委派在下奉上白璧一雙，進獻給項王；玉斗一雙，進獻給大將軍范增。」項羽問起劉邦現在到哪裡去了，張良回答說：「沛公聽說大王有意責怪他的過失，便獨自脫身回營了，現在已經到達軍中了。」項羽聽後便接受了玉璧。而范增接過玉斗以後，把它放在地上，拔劍將它擊碎。他氣憤而又無奈地說：「唉！你們這班無知的小子啊，我不能與你們一同成就大事。將來奪取項王天下的人一定是劉邦。我們這些人將要成為他的階下囚了。」
重分天下
幾天之後，項羽率領軍隊西進並且屠戮了咸陽，殺死了秦降王子嬰，燒燬了秦宮室，大火歷經三個月而不滅。他收集了藏在宮中的寶貨、婦女而東歸。有人勸導項羽說：「關中地區有山河阻塞四方，土地富饒，您可以在這裡建都而稱霸天下。」項羽看見秦宮室已經被大火燒得殘破不堪，又加上他以及廣大楚軍官兵心懷故土，不想留在這裡，他便回答說：「人在富貴以後不回故鄉，就如同穿著錦繡的衣裳在夜間行走一樣。」那個進諫的人聽了項羽這番話，背地裡議論他說：「人們都說楚國人沐猴而冠，果真不錯。」項羽聽說了這件事情，非常氣憤，就把那個人烹殺了。
項羽派人向懷王報告大軍入關破秦的情況。懷王說：「那就按照先前的盟約行事吧。」於是項羽尊懷王為義帝。項羽想要自立為王，便先立手下將相們為王。他對各位將相說：「天下剛開始起義時，人們借助擁立諸侯的後代來攻伐秦國，披堅執銳，衝鋒陷陣，歷經三年苦戰而滅亡秦朝，那是靠諸位將相與我項羽的力量。義帝雖然沒有功績，但是分給他一片土地而讓他做王，這也在情理之中。」各位將相都表示同意。
項羽、范增擔心劉邦會據有天下，但是雙方已經通過鴻門相會說解講和，項羽等人厭惡落個負約的壞名聲，從而導致諸侯們的反叛。所以二人私下裡商議說：「巴、蜀地區道路險阻，秦朝時候被貶的人都居住在那裡，而那裡也屬於關中地區，那就把劉邦貶到那裡去吧。」因此，項羽封劉邦為漢王，統治巴、蜀、漢中地區，定都南鄭（今陝西省南鄭縣）。
為了阻隔劉邦，項羽把關中地區一分為三，封秦朝的三位降將為王，分別是章邯為雍王，統治咸陽以西地區，定都廢丘（在今陝西省興平市東南）；過去有恩於項梁的司馬欣受封為塞王，統治咸陽以東到黃河地區，定都櫟陽；力勸章邯投降項羽的董翳受封為翟王，統治上郡地區，定都高奴（在今陝西省延安市東北）。項羽又大力封王，封趙將司馬印為殷王，統治河內地區，定都朝歌；遷徙原來的趙王歇為代王；封原來的趙相張耳為常山王，統治趙地，定都襄國（在今河北省邢台市西南）；黥布受封為九江王，定都在六；吳芮受封為衡山王，定都邾城（在今湖北省黃岡市西北）；共敖受封為臨江王，定都江陵（在今湖北省荊沙市西）；魏王豹為西魏王；立公申陽為河南王，定都洛陽；韓王不變，仍然定都陽翟；立趙將司馬遷徙原來的燕王韓廣為遼東王；封燕將臧荼為燕王，定都薊城（在今北京市西南）；遷徙原來的齊王田市為膠東王，封齊將田都為齊王，定都臨淄（在今山東省淄博市東北）；戰國時的齊王建的孫子田安因為跟隨項羽而受封為濟北王，都博陽（在今山東省泰安市東）；田榮因為屢次違背項氏的意願而沒有受封；陳余也是僅僅依靠自己的名聲而得到了南皮周圍的三個縣的封地。而項羽則自立為西楚霸王，統治九個郡，定都彭城（今江蘇省徐州市）。