（一）破三秦
项羽入咸阳，烧阿房宫、杀秦王子婴。项羽表面上尊楚怀王为义帝，实际却将其发配到了江南，自立为西楚霸王，定都彭城（今江苏省徐州市），同时分封十八个诸侯，其中封刘邦为汉王，领巴蜀及汉中地，并故意封秦降将章邯、司马欣、董翳（意）为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。刘邦只好忍气吞声接受封号。
刘邦受封为汉王之后，非常不满，因为这违反了楚怀王先入关中者为王的诺言，所以想马上起兵攻打项羽。但是萧何等人认为，目前刘邦的力量远不及项羽，不如暂时先入汉中为王，先治理好巴蜀，然后以此为根据地，到时再与项羽争夺天下，也为时不晚。刘邦接受了萧何的意见，于四月带领着项羽给的三万士兵以及几万自己的旧部入汉中就王位。他还为了麻痹项羽，沿途烧毁了去往汉中的栈道（用木板架在悬崖上铺成的道路），表示再也无意出兵。刘邦入汉中后，项羽也率军东归。五六月，齐国贵族后裔田荣不满分封，赶走齐王，杀胶东王，自立为齐王。项羽专心去攻打田荣，对西边没有加强防范。
刘邦到了南郑后，由于士卒水土不服，思念家乡，军心不稳，时有逃亡者。韩信向刘邦建议：“士卒都是山东（函谷关以东）人，现在日夜盼望东归，利用这种情绪，可以向东发展，争权天下。”刘邦也认为在汉中时间长了，影响军心和斗志。他就利用项羽在忙于解决东方几个诸侯国叛乱之机，让萧何留守汉中，治理后方，自己率领军队东进。十月，刘邦挥军东出，拜韩信为大将，明修栈道，暗度陈仓（今陕西省宝鸡市东），名为义帝发丧，派人联络诸侯，公开声讨项羽，出其不意地一举击败项羽分封的雍王章邯，迫使塞王司马欣、翟王董翳投降，很快就控制了整个关中地区，拉开了五年楚汉战争的序幕。
（二）初战彭城
刘邦占领关中以后，让萧何治理，把它变成刘邦的大本营。这时刘邦乘项羽的主力陷入山东正在镇压齐国叛乱之机，率领主力出关东下，直奔项羽的后方彭城。
刘邦的进军很顺利，沿途吸收了很多降服的诸侯军，并率领五十万诸侯联军一举攻占彭城。项羽听说彭城被刘邦占领，急率精兵三万连夜奔回救彭城。
这时的刘邦被胜利冲昏了头脑，日夜置酒高歌，庆祝胜利，毫无戒备，结果被项羽的军队击败。刘邦在撤退过程中，又散乱不成军，被项羽追上后全军溃败，被歼三十余万。刘邦的父亲和妻子也都为项羽所俘获，他仅率数十骑逃脱。各路诸侯军见刘邦大败，又纷纷倒戈，脱离刘邦而投向项羽，刘邦的处境非常困难。
刘邦带领着数十骑一直退到了荥阳、成皋（今河南荥阳汜水镇）一带，才停下来收集散卒，进行整顿。这时韩信带了一部分军队前来荥阳与刘邦会合，萧何也从关中不断增派援兵，刘邦稍稍恢复了力量。他变攻势为守势，利用成皋一带依山傍水、地势险要的特点，构筑防御工事，准备抵抗项羽的进攻。当项羽的追兵到达的时候，刘邦在荥阳东南的京、索一带，击败了项羽的军队，阻止了楚军的西进。双方在成皋一带进入了相持阶段。
（三）争夺成皋
五月，刘邦到达荥阳，击败了楚的追兵，得以喘息，稳住了阵脚，遂重整军队，依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。
此时刘邦总结了彭城之战失败的教训，改变了与项羽进行主力决战的办法。张良帮助刘邦分析了项羽内部的各种矛盾，提出了用政治斗争分化瓦解项羽的力量，采取派军队深入项羽的后方，破坏其根据地，南北夹攻，使项羽处于前后左右受敌，疲于招架的境地。
刘邦同意张良的分析，他派萧何留守关中，自己率主力与项羽在荥阳、成皋一带对峙；命令韩信开辟北面战场，消灭燕、赵、魏、代和三齐，从侧面威胁项羽的后方；刘邦还派彭越深入项羽腹地，流动作战，骚扰项羽的运输线。六月，刘邦派兵攻废丘，迫章邯自杀，解除了后顾之忧；派人说服英布反楚归汉，并采用陈平的离间计，使项羽和他的主要谋士范增发生矛盾，气死了范增。所以这时主战场，虽然刘邦在项羽的军事打击下，连连失利，被迫放弃了军事重镇荥阳和成皋，项羽在这里取得了主动权；但在其他战场上，项羽却处在被动挨打的地位。
由于刘邦派刘贾的两万骑兵，轻装深入到项羽的后方，配合彭越连下十七城，惊扰了楚军的后方，迫使项羽不得不将主力撤出，向东回师，以扫清后方之敌。
为了减轻楚军的压力，刘邦率军经武关、宛（今河南南阳）、叶（今河南叶县南），想引诱项羽南下。为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳（今江苏邳州南）。项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻睢阳（今河南商丘南）、外黄等地，再次迫使项羽回救。在丢失成皋，荥阳又被刘邦围困的危急情况下，项羽的主力又被迫回师以解荥阳之围。
（四）鸿沟定盟
项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武（今荥阳北）与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。由于项羽的士兵来回奔波，疲于奔命，而后方的供应又屡遭切断，所以士气很低落。而刘邦却源源不断地得到后方的支持，所以越战越强。
项羽想用速战的方法一决胜负，刘邦却采用持久战的办法，以困疲项羽的力量。这时项羽看到军事力量已经难以消灭刘邦，就借刘邦要求释放被俘的父亲和妻子吕雉的机会，向刘邦提出以鸿沟（今河南荥阳、中牟、开封一带）为界，鸿沟以西归刘邦，鸿沟以东归项羽，中分天下的主张。刘邦同意了他的要求，于是项羽送还太公、吕雉，撤兵回楚。
（五）四面楚歌
公元前202年，项羽撤回彭城后，刘邦也准备回到关中。张良、陈平向刘邦建议：“现在汉已经拥有大半个天下，诸侯也都支持您，而项羽在这时已经兵疲粮尽、众叛亲离，应该趁项羽衰弱的时候消灭他。如果错过了这个机会，把项羽放走，就等于帮助项羽恢复力量，再来与您争夺天下。”刘邦采纳了他们的意见，立即挥师追击项羽。
汉高祖五年（公元前202年）十月，刘邦在阳夏之南追到了项羽，并派人约韩信、彭越前来会师，共击项羽。但韩信、彭越故意误期不到，使刘邦孤立作战，在固陵（今河南太康县西）被项羽打败。刘邦一方面整顿军队固守；另一方面为了争取韩信、彭越的支持，答应他们打败项羽后，把从陈县以东到海滨的土地封给韩信，把睢阳（今河南商丘南）到榖城的土地封给彭越，又派人劝降了项羽的大司马周殷，英布这时候也早已经接到了刘邦的命令，率重兵深入九江一带，切断项羽南方的退路。当刘邦对这些人作了争取和战略部署之后，十二月就与韩信、彭越、周殷、英布的三十万大军，会师在垓下（今安徽灵璧县南），将项羽团团围住。
这时项羽手下的兵士已经很少，弹尽粮绝。一天夜里听见四面围住他的军队都唱起楚地的民歌，以为刘邦已经全部占领了楚地，不禁非常吃惊地说：“刘邦已经得到楚地了吗？为什么他的部队里面楚人这么多呢？”说着，心里已丧失了斗志，便从床上爬起来，在营帐里面喝酒解闷，悲壮地唱了一首歌：“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！”骓是他的骏马，虞是他心爱的美人，一代英豪的项羽，这时在刘邦大军的包围下绝望了。他和他最宠爱的妃子虞姬一同唱歌。唱完，悲痛欲绝，在一旁的人也非常难过。虞姬自刎于项羽的马前，项羽告别了虞姬，带领八百精锐骑兵，突围而出。
（六）乌江自刎
天亮后，刘邦发现项羽逃走，就命令大将灌婴率领五千轻骑追击。项羽渡过淮河以后，八百骑兵就只剩下一百多人，到了阴陵（今安徽定远西北）时，迷失了道路，陷入一片沼泽中，因而被刘邦的追兵赶上。项羽边战边退到东城（今安徽定远东南），身边只剩下二十八骑。项羽鼓足最后的一点力量，作了两次垂死的挣扎，最后逃到乌江（今安徽和县东北）时，只剩下他一个人。他悲恨交加，感到无言面对江东父老，拔剑自刎而死，历时五年的楚汉战争，最后以项羽的失败结束了。