沛公出来以后，项羽派都尉陈平去召唤沛公。刘邦问他的手下人说：“现在我没有告辞就出来了，这可怎么办啊？”樊哙说：“做大事不应顾及细节，讲求大礼就不必在乎小的责难。现在人为刀俎、我为鱼肉，还告辞干什么！”于是沛公决定立即离去，而留下张良致谢。鸿门与霸上相距四十余里。为了尽快脱险，沛公丢下了车骑，骑马逃离，而樊哙、夏侯婴、靳强与纪信四人手持剑、盾，徒步跟随，护卫沛公。他们从骊山下来，经过芷陽以后，抄小道行进。此前，刘邦告诉张良说：“从小路到达我军中不过二十里的路程。估计我到达军中以后，你再回到军帐里告辞。”张良估计沛公等人已经回到军中，他便入帐辞谢说：“沛公不胜酒力，不能亲自来告辞。他委派在下奉上白璧一双，进献给项王；玉斗一双，进献给大将军范增。”项羽问起刘邦现在到哪里去了，张良回答说：“沛公听说大王有意责怪他的过失，便独自脱身回营了，现在已经到达军中了。”项羽听后便接受了玉璧。而范增接过玉斗以后，把它放在地上，拔剑将它击碎。他气愤而又无奈地说：“唉！你们这班无知的小子啊，我不能与你们一同成就大事。将来夺取项王天下的人一定是刘邦。我们这些人将要成为他的阶下囚了。”
重分天下
几天之后，项羽率领军队西进并且屠戮了咸陽，杀死了秦降王子婴，烧毁了秦宫室，大火历经三个月而不灭。他收集了藏在宫中的宝货、妇女而东归。有人劝导项羽说：“关中地区有山河阻塞四方，土地富饶，您可以在这里建都而称霸天下。”项羽看见秦宫室已经被大火烧得残破不堪，又加上他以及广大楚军官兵心怀故土，不想留在这里，他便回答说：“人在富贵以后不回故乡，就如同穿着锦绣的衣裳在夜间行走一样。”那个进谏的人听了项羽这番话，背地里议论他说：“人们都说楚国人沐猴而冠，果真不错。”项羽听说了这件事情，非常气愤，就把那个人烹杀了。
项羽派人向怀王报告大军入关破秦的情况。怀王说：“那就按照先前的盟约行事吧。”于是项羽尊怀王为义帝。项羽想要自立为王，便先立手下将相们为王。他对各位将相说：“天下刚开始起义时，人们借助拥立诸侯的后代来攻伐秦国，披坚执锐，冲锋陷阵，历经三年苦战而灭亡秦朝，那是靠诸位将相与我项羽的力量。义帝虽然没有功绩，但是分给他一片土地而让他做王，这也在情理之中。”各位将相都表示同意。
项羽、范增担心刘邦会据有天下，但是双方已经通过鸿门相会说解讲和，项羽等人厌恶落个负约的坏名声，从而导致诸侯们的反叛。所以二人私下里商议说：“巴、蜀地区道路险阻，秦朝时候被贬的人都居住在那里，而那里也属于关中地区，那就把刘邦贬到那里去吧。”因此，项羽封刘邦为汉王，统治巴、蜀、汉中地区，定都南郑（今陕西省南郑县）。
为了阻隔刘邦，项羽把关中地区一分为三，封秦朝的三位降将为王，分别是章邯为雍王，统治咸陽以西地区，定都废丘（在今陕西省兴平市东南）；过去有恩于项梁的司马欣受封为塞王，统治咸陽以东到黄河地区，定都栎陽；力劝章邯投降项羽的董翳受封为翟王，统治上郡地区，定都高奴（在今陕西省延安市东北）。项羽又大力封王，封赵将司马印为殷王，统治河内地区，定都朝歌；迁徙原来的赵王歇为代王；封原来的赵相张耳为常山王，统治赵地，定都襄国（在今河北省邢台市西南）；黥布受封为九江王，定都在六；吴芮受封为衡山王，定都邾城（在今湖北省黄冈市西北）；共敖受封为临江王，定都江陵（在今湖北省荆沙市西）；魏王豹为西魏王；立公申陽为河南王，定都洛陽；韩王不变，仍然定都陽翟；立赵将司马迁徙原来的燕王韩广为辽东王；封燕将臧荼为燕王，定都蓟城（在今北京市西南）；迁徙原来的齐王田市为胶东王，封齐将田都为齐王，定都临淄（在今山东省淄博市东北）；战国时的齐王建的孙子田安因为跟随项羽而受封为济北王，都博陽（在今山东省泰安市东）；田荣因为屡次违背项氏的意愿而没有受封；陈余也是仅仅依靠自己的名声而得到了南皮周围的三个县的封地。而项羽则自立为西楚霸王，统治九个郡，定都彭城（今江苏省徐州市）。