刘邦成家后，没事的时候经常回家帮妻子耕种。一次，吕雉带着两个孩子在田中锄草，一个过路的老人向吕雉讨水喝。老人会相面，说他们一家三口都有贵相。老人走后，刘邦来到田里，吕雉把相面之事告诉他。他扔下锄头，立即去追赶那位老人。追上老人后，他虔诚地请老人为他相面。老人为他相面后，说他贵不可言，他甚是高兴。
秦始皇为了修建骊山墓，要求调集大批劳力。刘邦接到命令后，押送刑徒到骊山（今陕西临潼县东南）。在路上，刑徒们纷纷逃亡。刘邦想：等到到了骊山，这些刑徒差不多要跑光，自己将难逃处罚。于是他为刑徒解开绳索，并对他们说：“你们都逃命吧，我从此也要逃亡了！”当时有十几个刑徒愿意跟着刘邦，刘邦连夜带着他们逃走。
在逃亡路上，探路的人回报说有一条大蛇挡在路上，建议另外找条路。刘邦大声呵斥说：“勇士赶路，还怕蛇不成！”他迅速赶到前面，拔出剑把那条蛇一斩两段，带领众人继续前行。
刘邦带着刑徒逃亡到芒砀山区（今河南永城县东北），在那里藏了起来。然而，吕雉和其他人去寻找他的时候，轻易地便找到了他。刘邦很奇怪，吕雉告诉他说：“你藏身的地方，天空上总有五彩祥云，所以我能找到你。”刘邦很高兴，并把这件事悄悄传给了周围的人。后来，沛县及附近的青年人纷纷前来投奔。
这样，刘邦迅速组织起了一批人为自己效力，成为当时人们公认的沛中豪杰。
洞察时势适进退 数年苦战终成王
秦二世元年（公元前209年）七月，陈胜、吴广在大泽乡揭竿而起，声势日益扩大，并在陈（今河南淮阳）建立了“张楚”政权。九月，刘邦在沛县主吏萧何、狱掾曹参的拥护下回到沛县，被立为沛公，正式宣布反秦。接着，萧何、曹参和吕雉的妹夫樊哙等人分头去招兵买马，很快将队伍发展到了几千人。刘邦率领兵士打了几次小胜仗后，在丰邑（今湖北兴山县北）驻守。
秦二世二年（公元前208年），刘邦打败了来攻的秦泗水郡郡监后，令雍齿固守丰邑，自己率军在薛县打败了秦泗水郡郡守。此时，陈胜军在不断攻城略地。雍齿背叛刘邦投靠陈胜，刘邦失去了根据地，本想借兵攻打丰邑，但适逢秦军杀到了砀县（今安徽砀县），遂引兵前去攻打。初战失利后，整顿士兵再战，终于在三天内攻破砀县。刘邦收编了降兵，实力大增，准备夺回丰邑。这时，项梁大军已到薛县，刘邦转而投靠了项梁，项梁拨给他五千士兵和数位将领。
不久，陈胜被秦军所杀，项梁令各路将领赶至薛县。商议过后，项梁将楚怀王的孙子心立为楚王，定都盱眙（今江苏盱眙）。随后，项梁大军打着兴楚灭秦的旗号扩大队伍。
项梁大军分兵而进，先后在东阿（今山东阳谷县东北）、城阳（今山东莒县）、濮阳（今江苏境内）、雍丘（今河南杞县）打败秦军。项梁见打了几次胜仗后便得意起来，因疏忽而大败于定陶（今安徽宿县北）并阵亡。正在陈留作战的刘邦和项羽得知项梁的死讯后，立即前往助战。秦将章邯见项梁已死，认为楚人不再有威胁，遂引兵攻赵。
秦二世三年（公元前207年）初，楚王心迁都彭城（今江苏东海县南），统一指挥项各路军队。赵被围攻后，赵王歇多次求援。楚王心下令兵分两路：宋义、项羽二人率军北上，增援赵军；刘邦率军西进关中，牵制住咸阳城的秦军，防止秦朝增兵攻赵，并策应北路援军。为激励两路军马奋力作战，楚王心向各路将领许诺，先入关中者将被封为关中王。
正所谓“百足之虫，死而不僵”，秦国虽然眼看就要灭亡，但秦国的军队实力仍不可小觑。尽管楚王许下承诺，但诸将并没有把握攻破咸阳城，也不愿意前去冒险。唯有项羽急于为叔叔项梁报仇，请求与刘邦一起挺进关中。众将领都认为他嗜杀，不利于安抚民心，遂不同意他率军西进。就这样，刘邦有了先入关中的机会。
接着，刘邦率部出发。途中，刘邦攻破荥阳（今河南荥泽县西南），夺取宛城（今湖北荆门南），解除了进军关中的后顾之忧。与此同时，项羽也在扩大战果。为了能够早日攻入关中，他杀掉了上将军宋义，夺走兵权。随后，项羽击败了秦将王离，招降了秦将章邯，各地的诸侯纷纷依附了他。秦二世胡亥被杀后，项羽为了不让刘邦先入关中，假意派人与刘邦约定一起瓜分关中。刘邦并不理睬，一面攻打秦军，一面安定民心，一步步向关中的秦朝国都咸阳城逼近。
汉王元年（公元前206年）10月，刘邦率领军队抵达咸阳城东的灞上（今西安东），然后派人入咸阳城招降。刚即位的秦王子婴见大势已去，不再做任何抵抗。秦王子婴的投降，标志着秦王朝的灭亡。
刘邦进入咸阳城后，被金碧辉煌的秦宫、无数的奇珍异宝、娇美的后宫佳丽迷住了眼睛，打算在宫中享乐一番。樊哙和张良劝他吸取秦朝灭亡的教训，不要因贪图享乐而忘了大计。刘邦醒悟后，将秦宫和府库全部封闭，下令将士不许动百姓一草一木，然后返回灞上。
11月，刘邦将咸阳内外的关中父老召集在一起，在向他们保证废除秦朝苛政的同时与他们约法三章：“杀人者死，伤人及盗抵罪。”关中父老振奋欢呼，拥护刘邦做关中王。为了能够做关中王，刘邦派重兵把守住函谷关，并在想办法增强实力。
项羽一路猛攻，在攻下荥阳后，接着又占领了成皋（今河南荥阳汜水镇）。随后，项羽率领四十万大军攻破函谷关，驻扎在距灞上40里地的鸿门。
刘邦的属下曹无伤对刘邦心怀不满，见项羽已到，立即向项羽透漏了刘邦想做关中王的消息。项羽大怒，打算率兵攻打刘邦。项羽军中的项伯是张良的好友，担心张良被杀，于是连夜告知张良。刘邦当时实力薄弱，难以与项羽抗衡，只好听从张良的建议，前往鸿门与项羽言和。项羽见刘邦前来，遂在鸿门设宴招待刘邦。席中，项羽谋士范增设计要杀掉刘邦，张良识破其计，屡屡为刘邦解围，再加上项羽无意杀刘邦，以至于刘邦总算有惊无险，乘小解之便逃回灞上。
各路军马聚齐后，浩浩荡荡地进入了咸阳城。咸阳城顿时遭到了一场空前浩劫，城内百姓惨遭屠杀，财物被洗劫一空，阿房宫也被焚烧殆尽，一时间所到之处尽是尸体纵横，映入眼帘的全是断壁残垣，惨不忍睹。
同年正月（在西汉前期，十月为一岁之始），项羽将楚王心尊为“义帝”。随后，他违背楚王心的命令，不让刘邦做关中王，并自称“西楚霸王”，然后分封诸侯王。刘邦被他封为汉王，管辖巴、蜀和汉中。其领地共有四十一县，国都为南郑（今陕西南郑）。
四月，刘邦带着项羽分派给他的三万兵士前往封地。途中，刘邦命令将士切断关中通往汉中的栈道，表示永不出汉中的决心，以此来麻痹项羽。
刘邦在做汉王期间，多有士卒因思乡心切而逃离军营，再加上水土不服，军心非常涣散。刘邦虽然也不愿意在汉中长久呆下去，但时不利己。当时，韩信几经辗转，投奔在刘邦旗下。见刘邦不重用自己，韩信逃走。接着，便有了历史上有名的萧何月下追韩信的故事。
萧何听说韩信逃跑后，没有来得及向汉王禀报，便策马亲自去追韩信了。这时，有人向汉王报告：“丞相萧何逃跑了。”汉王一听，顿时大怒，却又不知如何是好。一天后，萧何前来拜见汉王。汉王见了萧何后，又怒又喜。怒的是萧何作为丞相，竟然逃跑；喜的是萧何又回来了，不用再担心没有左右手了。随后，汉王问萧何为何逃跑。萧何答道：“臣不敢逃跑，臣在追逃跑的人。”汉王问：“你在追谁呢？”萧何说是韩信。汉王生气地骂道：“营中逃跑的将领就有十几人，你却不去追。韩信不过是一个小小的治粟都尉，你却要去追他。你一定在欺骗我。”萧何解释道：“将领失去了以后容易得到，但像韩信这样的人，很难在国内找到第二个。大王如果只想在汉中称王，可以不用此人；但大王如果想争夺天下，除了韩信之外没有人能够辅佐大王。希望大王能够仔细考虑。”汉王说：“我当然想图谋东方了，不想在此长期停留！”萧何于是说道：“既然大王有这种念头，就一定要重用韩信。只有这样，韩信才会留下来；否则，韩信最终还会逃跑的。”汉王说：“那我就封他为将吧。”萧何说：“封他为将是留不住他的。”汉王改口说：“那就封他为大将吧。”萧何说：“太好了！”随后，汉王准备召见韩信。这时候，萧何又说：“大王一向不注重礼节。如今要封大将，却像呼喊小儿一样，这正是韩信要逃走的原因。大王如果真心封他为大将，就要选择一个好日子，行斋戒之礼，设置坛场。待各种礼节都完成后，才可以行事。”汉王答应了萧何。
汉王封韩信为大将后，立即与其谈论天下大势。汉王说：“丞相多次在我面前提到将军的才能，不知将军能够教给寡人什么计策呢？”韩信辞谢汉王的知遇之恩后，问汉王：“如今，能够争权天下的人，是项王吗？”汉王回答说是。韩信又问：“大王认为自己的勇悍、仁德与项王比起来如何？”汉王沉默了很久，然后回答说不如项王。随后，韩信为汉王具体分析了项羽的为人和当前的形式。他说项羽“暗煖叱咤，千人皆废，然不能任属贤将”，这是匹夫之勇；又说项羽“恭敬慈爱，言语呕呕，人有疾病，涕泣分食饮；至使人，有功当封爵者，印煖敝，忍不能予”，这是妇人之仁。然后，韩信说项羽背信弃义，名不正言不顺，“虽为霸，实失天下心，故其强易弱”；而汉王“任天下武勇，何所不诛！以天下城邑封功臣，何所不服！以义兵从思东归之士，何所不散”。他建议汉王入武关以后，“除秦苛法，与秦民约法三章”，使秦民“无不欲得大王王秦”。汉王听了韩信的这番议论后，心中大喜，认为早得韩信就好了。
此后，韩信用他娴熟的军事知识屡次打下胜仗，为汉朝的建立立下了很大的功劳。可以说，没有韩信的战必胜、攻必克，屡吃败仗的刘邦就难以雄霸天下。
八月，刘邦乘项羽征讨齐国的田荣之际，采用韩信明修栈道、暗渡陈仓的计策顺利返回关中，打败秦朝降将雍王章邯，随后本想从沛县接回父亲刘太公和妻子吕后，但被楚军阻止。随后，长达四年的楚汉之争为历史添上了新的一页。
汉王二年（公元前205年）初，刘邦降服了秦朝降将赛王司马欣、翟王董翳，安抚当地百姓。随后，刘邦便以咸阳为据点，号召各路诸侯讨伐项羽，向东猛进，直至占领彭城。
项羽本想一举平定齐、赵两地，见国都彭城失陷，急忙回兵自救。汉军将士正沉醉在胜利的喜悦中，还来不及准备就被项羽率领的三万精兵击败。各路诸侯见楚军锐不可当，各自抽身离去。
刘邦狼狈逃脱后，在灵壁（今安徽宿县西北）濉水又被楚军追上，被杀得溃不成军。退至荥阳后，幸好有萧何、韩信前来增援，汉军重整旗鼓，将尾随而至的楚军击退。不过，项羽并没有率领楚军离去，意欲铲除刘邦。
汉王三年（公元前204年），楚汉双方在荥阳形成了对峙局面。项羽虽骁勇善战，但刘邦只守不攻，双方就这样对峙了一年多的时间。项羽数次截断汉军粮道，最终将刘邦围困。刘邦见难以与项羽抗衡，遂与项羽和解，提出化地为界，荥阳以东皆归项羽所有。项羽犹豫不决，后听从了谋士范增的建议，打算彻底消灭刘邦，以防后患。
刘邦利用项羽多疑的弱点，用离间计来挑拨项羽和范增的关系。项羽果然中计，认为范增私通刘邦，遂将胸怀大略的范增驱出帐外。范增一走，项羽身边便没有精通谋略的人才了。他的匹夫之勇如果离开了谋略的指引，自然难以成就大事。
项羽驱逐了范增后，全力进攻荥阳，并将刘邦围困其中。眼看荥阳危在旦夕，刘邦却无计可施。大将纪信不惜自身安危，乘天黑之际冒充刘邦向关羽投降。楚军放松了戒备，刘邦侥幸从荥阳西门逃走。项羽得知刘邦诈降后，怒不可遏，将纪信活活烧死。
刘邦从荥阳逃出后积极备战，在宛县（今河南南阳县）一带活动。项羽听说后，立即引兵来战，见汉军固守于深沟高垒之内而无可奈何。此时，彭越在下邳（今江苏邳县东）大败驻守该地的楚军，项羽立即引兵东进，刘邦乘机北上，在成皋（今河南荥阳县）驻扎。项羽打败彭越后，攻破再次被刘邦占领的荥阳，然后逼近成皋。双方再次对峙，不过这次汉军占据了优势。虽然刘邦不如项羽骁勇善战，但因萧何的后方支援，粮草不成问题。由于彭越经常在后方扰乱楚军，使得楚军前方的粮草无法供应。项羽本想速战速决，没想到托至今日仍不能灭掉刘邦，不得不面临军心涣散、粮草不足等问题。汉王四年（公元前203年），刘邦乘项羽攻打彭越之时击溃成皋的楚军。项羽先听说成皋失守，后又听说大将龙且兵败，心里忐忑不安。
项羽先是以煮杀刘邦父亲相要挟，让刘邦投降。刘邦不同意，反而告诉项羽，他们曾经“约为兄弟”，他的父亲也是项羽的父亲，如果真要煮了他的父亲，不要忘了分他一杯羹。
项羽见刘邦不肯妥协，竟向刘邦提出单独决斗。刘邦自知不敌项羽，自然不答应。他大骂项羽，历数项羽犯下的罪行：不守前约，后来居上；贪图权利，谋杀宋义；火烧阿房宫，滥杀无辜；毫无善心，斩杀降卒；假公徇私，分封不均；驱逐义帝，途中暗害；等等。