廣武談判
公元前203年，劉邦和項羽在廣武談判。項羽要跟劉邦單獨決一雌雄，劉邦則羅列項羽的罪狀說：「當初我和你項羽一同受懷王之命，說定了先入關中者在關中為王，你違背了約定，讓我在蜀漢為王，這是第一條罪狀。你假托懷王之命，殺死卿子冠軍宋義，自任上將軍，這是第二條罪狀。你奉命援救了趙國，本應回報懷王，而你卻擅自劫持諸侯的軍隊入關，這是第三條罪狀。懷王當初約定入關後不准燒殺擄掠，你卻焚燬秦朝宮室，盜挖秦始皇的墳墓，私自收取秦地的財物，這是第四條罪狀。你強行殺掉已經投降的秦王子嬰，這是第五條罪狀。你欺瞞秦軍，在新安活埋二十萬人，卻封賞他們的降將，這是第六條罪狀。你把各諸侯的將領都封在好地方，卻趕走原來的諸侯王，使他們的臣下為爭奪王位而反叛，這是第七條罪狀。你把義帝趕出彭城，自己卻在那裡建都，又侵奪韓王的地盤，把梁、楚之地並在一起據為已有，這是第八條罪狀。你派人在江南秘密殺死義帝，這是第九條罪狀。你為人臣子卻謀殺君主，還殺害已經投降的人，你為政不公，不守信約，不容於天下，大逆不道，這是第十條罪狀。如今我率領義兵和諸侯們來討伐你，只讓那些刑徒就可以殺掉你，又何必勞累我來跟你挑戰呢？」項羽十分惱怒，用弩機射中了劉邦。劉邦被射中胸部，為了穩定軍心，劉邦卻捂著腳說：「這個強盜射中了我的腳趾！」劉邦因受箭傷而病倒，為了穩定軍心，張良硬是請他起來出去巡行，慰勞部隊。漢軍因此軍心穩定，臨危不亂，個個對楚軍嚴陣以待。楚軍終於沒能乘勢襲擊漢軍。
垓下決戰
隨著漢軍勢力逐漸強大，楚軍實力日益下降。項羽害怕了，擔心打不過劉邦，就跟劉邦約定，平分天下，鴻溝以西的地方劃歸漢，鴻溝以東的地方劃歸楚。項羽也送回了劉邦的家屬。
項羽罷兵返回東方，劉邦也想率軍回西方。張良、陳平勸劉邦說：「現在楚軍兵疲糧盡，何不索性將他們一網打盡，等他們元氣恢復以後，再想戰勝他們就很難了。」劉邦於是再次進兵追趕項羽，和韓信、彭越約定日期會合，共同攻擊楚軍。等劉邦到達會師地點，韓信、彭越卻沒有來會合。楚軍迎擊劉邦率領的漢軍，把漢軍打得大敗。劉邦又逃回營壘，深挖壕塹固守。劉邦採用張良的計策派使者封給韓信、彭越土地，使他們各自為戰，韓信、彭越這才前來會合。
公元前202年，劉邦和諸侯軍共同進攻楚軍，與項羽在垓下決戰。項羽最終戰敗自刎，漢軍平定了楚地。因為楚懷王當初封項羽為魯公，魯人對項羽非常忠心，還為項羽堅守，不肯降服。劉邦就率領諸侯軍北上，把項羽的頭給魯縣的父老們看，魯人這才投降。劉邦見魯人對項羽如此忠誠，就按照魯公這一封號的禮儀，把項羽葬在穀城。然後回師定陶，驅馬馳入齊王韓信的軍營，奪取了他的兵權。
劉邦稱帝
項羽敗亡後，諸侯將相們共同尊請劉邦稱帝。劉邦說：「我聽說皇帝的尊號，只有賢能的人才能據有，我可承擔不了皇帝的尊號。」大臣們都說：「大王從平民起事，誅伐暴逆，平定四海，有功的分賞土地封為王侯，如果大王不稱皇帝尊號，人們對大王的封賞就都不會相信。我們這班人願意以死相請求。」劉邦辭讓再三，實在推辭不過，於是稱帝。劉邦原定都洛陽，後來在劉敬、張良的勸說下，才定都長安。他又分封功臣到各地做諸侯。
一次，劉邦在洛陽南宮擺設酒宴。劉邦說：「列侯和各位將領，你們不能瞞我，都要說真心話。我之所以能取得天下，是因為什麼呢？項羽之所以失去天下，又是因為什麼呢？」高起、王陵回答說：「陛下傲慢而且好侮辱別人；項羽仁厚而且愛護別人。可是陛下派人攻打城池奪取土地，所攻下和降服的地方就分封給人們，跟天下人同享利益。而項羽卻妒賢嫉能，打了勝仗不給人家授功，奪得了土地不給人家好處，這就是他失去天下的原因。」劉邦說：「你們只知其一，不知其二。如果說運籌帷幄之中，決勝於千里之外，我比不上張良；鎮守國家，安撫百姓，供給糧餉，我比不上蕭何；統率百萬大軍，戰則必勝，攻則必取，我比不上韓信。這三個人都是人中的俊傑，但卻能為我所用，這就是我能夠取得天下的原因所在。項羽雖然有一位謀士范增卻不信用，這就是他被我擒獲的原因。」