此时，赵高已杀死秦二世，派人来求见，想和刘邦定约在关中分地称王。刘邦认为其中一定有诈，就用了张良的计策，派郦生、陆贾去游说秦将，并用财利进行引诱，乘此机会前去偷袭武关。他又率军在蓝田与秦军交战。秦军顿时土崩瓦解，彻底失败。他命令全军，所过之处，不得掳掠，秦地的人因此都很高兴。
约法三章
公元前206年，刘邦的军队最先到达霸上。秦王子婴驾着白车白马，用丝绳系着脖子，封好皇帝的御玺和符节投降刘邦。将领们有的说应该杀掉秦王。刘邦说：“当初怀王派我攻关中，就是认为我能宽厚容人；再说人家已经投降了，又杀掉人家，这么做不吉利。”他把秦王交给主管官吏，就向西进入咸陽。刘邦想留在秦宫中休息，但被樊哙、张良劝阻。他下令把秦宫中的贵重宝器财物和库府都封好，然后退回来驻扎在霸上。刘邦又召来各县的父老和德高望重的人，对他们说：“父老们苦于秦朝的苛虐法令已经很久了，批评朝政得失的要灭族，相聚谈话的都要处以死刑。我和诸侯们约定，谁首先进入关中就在这里做王，所以我应当为关中王。现在我和父老们约定三条法律：杀人者处死刑，伤人者和盗窃者也要依法治罪。其余秦朝的法律全部废除。所有官吏和百姓都像往常一样，安居乐业。我到这里来，就是要为父老们除害，不会对你们有任何侵害，请不要害怕。我所以把军队撤回霸上，是想等着各路诸侯到来，共同制定一个规约。”他随即派人和秦朝的官吏一起到各县镇乡村去巡视，向民众讲明情况。秦地的百姓听后都非常喜悦，争着送来牛羊酒食，慰劳士兵。刘邦推让不肯接受，对他们说：“仓库里的粮食并不缺乏，不必让大家破费了。”人们更加高兴，唯恐刘邦不在关中做秦王。
受封汉王
项羽入关后，违背当初的约定，把刘邦封在巴蜀、汉中之地，改立刘邦为汉王，建都南郑。项羽又把关中分为三份，封给秦朝的三个降将，以牵制刘邦。
刘邦前往封国时，项羽派了三万士兵随从前往，楚国和诸侯国中因为敬慕而跟随刘邦的也有几万人。他们从杜县往南进入蚀中，当地的道路十分艰险，都是在陡壁上架起的栈道。刘邦领军过去之后，就把栈道全部烧掉，一是为防备诸侯或其他强盗偷袭，二是向项羽表示再没有东进之意。刘邦的部队大部分是关东人，他们到达南郑后，思恋故土，很多部将和士兵逃跑回关东去了。没走的士兵们也都唱着怀乡之歌，想东归回乡。韩信劝说刘邦道：“项羽把您封到到南郑，分明是流放您。部队中的军官、士兵日夜盼着回归故乡。如果趁着这种心气极高的时候利用他们，还可以建功立业。如果等到天下平定以后，人们都安居乐业了，就再也没法利用他们了。您不如立即下定决心，率兵东进，与诸侯争夺天下。”
刘邦也认清了现在的形势，采用韩信的计策，返回关中，首先把关中的三个封国消灭，占据了有利的地理位置。随后派遣将领们去夺取了长安西北的陇西、北地、上郡等地，让人去沛县迎接他的父亲和吕后。项羽听说后，就派兵在陽夏阻截，又封原吴县县令郑昌为韩王，以抵拒汉军。
楚汉交锋
刘邦继续东进，攻占了陇西、北地、上郡、渭南、河上、中地、河南等郡。他下令各路将领，率领一万人或者献出一郡之地降汉的，封给他一万户。他还允许人们去耕种原先秦朝供帝王游玩打猎的园林，大赦天下罪犯。刘邦在到达洛陽后，听说了项羽杀害楚怀王之事。他借机为楚怀王发丧，号召各路诸侯为楚怀王讨伐项羽，在道义上占据了主动。
这时候，项羽正在北方攻打齐国，他虽然听说刘邦已经到东方来了，但因为正与齐军交锋，就想在打败齐军之后再去迎击汉军。刘邦因此得以挟持各诸侯的军队，攻入项羽的都城彭城。项羽闻讯，立即率兵离开齐国，跟汉军在彭城灵壁以东的睢水上激战，大败汉军，杀了许多汉兵，睢水因此被阻塞不能畅流。项羽又派人从沛县掳来了刘邦的父母、妻子、儿女，把他们扣留在军中做人质。这时，诸侯们见楚军强大，汉军被打败，又都背离了刘邦而去帮助项羽。