此時，趙高已殺死秦二世，派人來求見，想和劉邦定約在關中分地稱王。劉邦認為其中一定有詐，就用了張良的計策，派酈生、陸賈去遊說秦將，並用財利進行引誘，乘此機會前去偷襲武關。他又率軍在藍田與秦軍交戰。秦軍頓時土崩瓦解，徹底失敗。他命令全軍，所過之處，不得擄掠，秦地的人因此都很高興。
約法三章
公元前206年，劉邦的軍隊最先到達霸上。秦王子嬰駕著白車白馬，用絲繩繫著脖子，封好皇帝的御璽和符節投降劉邦。將領們有的說應該殺掉秦王。劉邦說：「當初懷王派我攻關中，就是認為我能寬厚容人；再說人家已經投降了，又殺掉人家，這麼做不吉利。」他把秦王交給主管官吏，就向西進入咸陽。劉邦想留在秦宮中休息，但被樊噲、張良勸阻。他下令把秦宮中的貴重寶器財物和庫府都封好，然後退回來駐紮在霸上。劉邦又召來各縣的父老和德高望重的人，對他們說：「父老們苦於秦朝的苛虐法令已經很久了，批評朝政得失的要滅族，相聚談話的都要處以死刑。我和諸侯們約定，誰首先進入關中就在這裡做王，所以我應當為關中王。現在我和父老們約定三條法律：殺人者處死刑，傷人者和盜竊者也要依法治罪。其餘秦朝的法律全部廢除。所有官吏和百姓都像往常一樣，安居樂業。我到這裡來，就是要為父老們除害，不會對你們有任何侵害，請不要害怕。我所以把軍隊撤回霸上，是想等著各路諸侯到來，共同制定一個規約。」他隨即派人和秦朝的官吏一起到各縣鎮鄉村去巡視，向民眾講明情況。秦地的百姓聽後都非常喜悅，爭著送來牛羊酒食，慰勞士兵。劉邦推讓不肯接受，對他們說：「倉庫裡的糧食並不缺乏，不必讓大家破費了。」人們更加高興，唯恐劉邦不在關中做秦王。
受封漢王
項羽入關後，違背當初的約定，把劉邦封在巴蜀、漢中之地，改立劉邦為漢王，建都南鄭。項羽又把關中分為三份，封給秦朝的三個降將，以牽制劉邦。
劉邦前往封國時，項羽派了三萬士兵隨從前往，楚國和諸侯國中因為敬慕而跟隨劉邦的也有幾萬人。他們從杜縣往南進入蝕中，當地的道路十分艱險，都是在陡壁上架起的棧道。劉邦領軍過去之後，就把棧道全部燒掉，一是為防備諸侯或其他強盜偷襲，二是向項羽表示再沒有東進之意。劉邦的部隊大部分是關東人，他們到達南鄭後，思戀故土，很多部將和士兵逃跑回關東去了。沒走的士兵們也都唱著懷鄉之歌，想東歸回鄉。韓信勸說劉邦道：「項羽把您封到到南鄭，分明是流放您。部隊中的軍官、士兵日夜盼著回歸故鄉。如果趁著這種心氣極高的時候利用他們，還可以建功立業。如果等到天下平定以後，人們都安居樂業了，就再也沒法利用他們了。您不如立即下定決心，率兵東進，與諸侯爭奪天下。」
劉邦也認清了現在的形勢，採用韓信的計策，返回關中，首先把關中的三個封國消滅，佔據了有利的地理位置。隨後派遣將領們去奪取了長安西北的隴西、北地、上郡等地，讓人去沛縣迎接他的父親和呂後。項羽聽說後，就派兵在陽夏阻截，又封原吳縣縣令鄭昌為韓王，以抵拒漢軍。
楚漢交鋒
劉邦繼續東進，攻佔了隴西、北地、上郡、渭南、河上、中地、河南等郡。他下令各路將領，率領一萬人或者獻出一郡之地降漢的，封給他一萬戶。他還允許人們去耕種原先秦朝供帝王遊玩打獵的園林，大赦天下罪犯。劉邦在到達洛陽後，聽說了項羽殺害楚懷王之事。他藉機為楚懷王發喪，號召各路諸侯為楚懷王討伐項羽，在道義上佔據了主動。
這時候，項羽正在北方攻打齊國，他雖然聽說劉邦已經到東方來了，但因為正與齊軍交鋒，就想在打敗齊軍之後再去迎擊漢軍。劉邦因此得以挾持各諸侯的軍隊，攻入項羽的都城彭城。項羽聞訊，立即率兵離開齊國，跟漢軍在彭城靈壁以東的睢水上激戰，大敗漢軍，殺了許多漢兵，睢水因此被阻塞不能暢流。項羽又派人從沛縣擄來了劉邦的父母、妻子、兒女，把他們扣留在軍中做人質。這時，諸侯們見楚軍強大，漢軍被打敗，又都背離了劉邦而去幫助項羽。