广武谈判
公元前203年，刘邦和项羽在广武谈判。项羽要跟刘邦单独决一雌雄，刘邦则罗列项羽的罪状说：“当初我和你项羽一同受怀王之命，说定了先入关中者在关中为王，你违背了约定，让我在蜀汉为王，这是第一条罪状。你假托怀王之命，杀死卿子冠军宋义，自任上将军，这是第二条罪状。你奉命援救了赵国，本应回报怀王，而你却擅自劫持诸侯的军队入关，这是第三条罪状。怀王当初约定入关后不准烧杀掳掠，你却焚毁秦朝宫室，盗挖秦始皇的坟墓，私自收取秦地的财物，这是第四条罪状。你强行杀掉已经投降的秦王子婴，这是第五条罪状。你欺瞒秦军，在新安活埋二十万人，却封赏他们的降将，这是第六条罪状。你把各诸侯的将领都封在好地方，却赶走原来的诸侯王，使他们的臣下为争夺王位而反叛，这是第七条罪状。你把义帝赶出彭城，自己却在那里建都，又侵夺韩王的地盘，把梁、楚之地并在一起据为已有，这是第八条罪状。你派人在江南秘密杀死义帝，这是第九条罪状。你为人臣子却谋杀君主，还杀害已经投降的人，你为政不公，不守信约，不容于天下，大逆不道，这是第十条罪状。如今我率领义兵和诸侯们来讨伐你，只让那些刑徒就可以杀掉你，又何必劳累我来跟你挑战呢？”项羽十分恼怒，用弩机射中了刘邦。刘邦被射中胸部，为了稳定军心，刘邦却捂着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾！”刘邦因受箭伤而病倒，为了稳定军心，张良硬是请他起来出去巡行，慰劳部队。汉军因此军心稳定，临危不乱，个个对楚军严阵以待。楚军终于没能乘势袭击汉军。
垓下决战
随着汉军势力逐渐强大，楚军实力日益下降。项羽害怕了，担心打不过刘邦，就跟刘邦约定，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽也送回了刘邦的家属。
项羽罢兵返回东方，刘邦也想率军回西方。张良、陈平劝刘邦说：“现在楚军兵疲粮尽，何不索性将他们一网打尽，等他们元气恢复以后，再想战胜他们就很难了。”刘邦于是再次进兵追赶项羽，和韩信、彭越约定日期会合，共同攻击楚军。等刘邦到达会师地点，韩信、彭越却没有来会合。楚军迎击刘邦率领的汉军，把汉军打得大败。刘邦又逃回营垒，深挖壕堑固守。刘邦采用张良的计策派使者封给韩信、彭越土地，使他们各自为战，韩信、彭越这才前来会合。
公元前202年，刘邦和诸侯军共同进攻楚军，与项羽在垓下决战。项羽最终战败自刎，汉军平定了楚地。因为楚怀王当初封项羽为鲁公，鲁人对项羽非常忠心，还为项羽坚守，不肯降服。刘邦就率领诸侯军北上，把项羽的头给鲁县的父老们看，鲁人这才投降。刘邦见鲁人对项羽如此忠诚，就按照鲁公这一封号的礼仪，把项羽葬在穀城。然后回师定陶，驱马驰入齐王韩信的军营，夺取了他的兵权。
刘邦称帝
项羽败亡后，诸侯将相们共同尊请刘邦称帝。刘邦说：“我听说皇帝的尊号，只有贤能的人才能据有，我可承担不了皇帝的尊号。”大臣们都说：“大王从平民起事，诛伐暴逆，平定四海，有功的分赏土地封为王侯，如果大王不称皇帝尊号，人们对大王的封赏就都不会相信。我们这班人愿意以死相请求。”刘邦辞让再三，实在推辞不过，于是称帝。刘邦原定都洛陽，后来在刘敬、张良的劝说下，才定都长安。他又分封功臣到各地做诸侯。
一次，刘邦在洛陽南宫摆设酒宴。刘邦说：“列侯和各位将领，你们不能瞒我，都要说真心话。我之所以能取得天下，是因为什么呢？项羽之所以失去天下，又是因为什么呢？”高起、王陵回答说：“陛下傲慢而且好侮辱别人；项羽仁厚而且爱护别人。可是陛下派人攻打城池夺取土地，所攻下和降服的地方就分封给人们，跟天下人同享利益。而项羽却妒贤嫉能，打了胜仗不给人家授功，夺得了土地不给人家好处，这就是他失去天下的原因。”刘邦说：“你们只知其一，不知其二。如果说运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我比不上张良；镇守国家，安抚百姓，供给粮饷，我比不上萧何；统率百万大军，战则必胜，攻则必取，我比不上韩信。这三个人都是人中的俊杰，但却能为我所用，这就是我能够取得天下的原因所在。项羽虽然有一位谋士范增却不信用，这就是他被我擒获的原因。”