一、暗度陈仓
高祖虽然来到南郑，但他却并不甘于首封于汉王。只是考虑到自己势力单薄，当时才没有起来反抗项羽。而到了南郑，情况发生了变化，高祖所带领的将士水土不服，日夜思念家乡，这时已经到了必须决断的时候了。刚好因为项羽分封不均，齐国田荣起来反叛，也为高祖东进提供了机会。
这时高祖听从萧何的建议重用韩信，韩信对高祖说：“我们的战士都是山东人，他们日夜期望东归，借着这股士气，可以建立大功，我们应立即决策，率军东进。”高祖听后非常开心，就让韩信全权负责制定东进计划。
时年，高祖任命萧何为丞相，留守南郑。自己与张良、韩信率军东进。为了迷惑项羽，让派樊哙领兵一万修复出巴蜀的栈道，实际上如此浩大的工程即使三年也修不完。正是这一点，迷惑麻痹了陈仓的守将。陈仓的雍王章邯万万没想到刘邦的精锐部队摸着无人知晓的小道翻山越岭偷袭了陈仓。
二、楚汉之争
出巴蜀地区后，高祖偷袭雍王章邯，章邯率兵迎击，大败。汉军分攻掠地，很快就占领了关中，楚汉战争正式爆发。
此时田荣起兵反抗项羽政权，自立为齐王。他任彭越为将，率兵叛楚，然后支持陈余在赵地起兵反叛，而高祖又还定三秦，这样完全打乱了项羽分封在东方的秩序。
汉王二年十一月，高祖占领河南郡，并迁都栎阳，开放田地，让农民耕地，这样为战争提供了强有力的物质支持。
三月，高祖北渡黄河，占领西魏王豹的地方，接着南渡黄河，攻陷洛阳。在洛阳接受三公的建议为义帝发丧，高祖利用发丧为讨伐项羽制造声势。四月，高祖率各路诸侯，共56万人，东向伐楚，很快就攻下彭城。
项羽本来想灭齐后，全力对付高祖，但是听到高祖已经攻下彭城后，便率领精兵3万，驰援彭城。当时高祖还在彭城办庆功宴，晚上大家喝的烂醉，早上就被项羽偷袭，打得落花流水。损失几十万人，各路诸侯看高祖势弱又纷纷叛离。高祖仅与十几骑轻逃，路上遇到了女儿和儿子，而媳妇和父亲被楚军俘虏。
高祖退到荣阳，萧何率汉中军过来增援，上至60岁老人和不满20岁的小孩都被征入伍。韩信这时也来驰援，汉军军心大振。
高祖知道如果跟项羽硬碰硬是刚不过他的，就利用项羽猜忌心重，离间他和范增及其他将领。果然取得了非常好的效果。范增被项羽气走在去彭城的路上，背上生疮气愤而死。
双方对峙十个月，高祖兵多粮盛，项羽兵疲食绝，于是请辩士说和，双方以鸿沟为界，双分天下。西边属于汉，东属楚，项羽归还高祖父亲和妻子。
鸿沟之约后，项羽引兵东去，高祖也想引兵西还。张良、陈平进谏：“汉已占据大半江山，而且填在诸侯尽归，楚已经到了弹尽粮绝的地步，这个时候不消灭项羽，真的是养虎为患。”高祖幡然醒悟，引兵追击项羽。
汉王十二月，双方在垓下会战，汉军三十万团团围住了项羽。
项羽当时已兵少粮绝，一天夜里，他突然听到汉军四面楚歌，以为汉军已经占领楚地。心中悲伤，便起来在帐中饮酒。他让美人虞姬陪饮。命人牵来心爱的坐骑“骓”，然后悲歌慷慨地唱到：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝，骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”虞姬则和唱说：“汉兵已略地，四面楚歌，大王义气尽，臣妾何聊生。”二人唱了几遍，虞姬饮泪自刎。项羽泪流数行。率领剩余骑兵800，突围。
高祖引兵5000追击，项羽渡过淮河，只剩下100多随从，又遭遇大雾迷路，项羽引兵向东在东城被追上，随从劝项羽东渡乌江，项羽自知大势已去，无颜面对江东父老，遂拔剑自刎。
至此楚汉战争终于以高祖胜利而告终。
