项羽率北路楚军于巨鹿之战一举歼灭秦军主力40余万，自恃功劳最大，并取得了诸侯上将军地位，统率诸侯之兵，实力雄厚。
与此同时，刘邦率另一路楚军所率义军亦转战于河南，招降纳叛，屡破秦军，先行入关接受秦王子婴投降。按照楚怀王“先入定关中者王之”之约，刘邦欲称王于关中。
项羽亦率诸侯军40余万直奔关中。项羽自认功高，自恃强大，遂自行分封天下，并拒绝把先入关的刘邦封为关中王，将其改封到汉中（郡治南郑，今陕西汉中）为王，王巴蜀、汉中三郡，引起刘邦不满。并任秦三降将分别为雍王、塞王和翟王，监察并围堵刘邦。
与此同时，齐相田荣因未从项羽入关而未得到分封，对项羽三分齐地亦甚不满。而原赵国大将军陈馀自认为与张耳功等到，张耳为诸侯王而自己仅为列侯食三县不满，且亦不满项羽逐故王赵歇王代。 参见：鸿门宴
汉元年十月，刘邦进至灞上（今陕西省西安市东南），秦王子婴投降，秦朝灭亡。依据反秦义军“盟主”楚怀王与天下“先入定关中者王之”的约定，刘邦理应称关中之王，又闻项羽欲立章邯于关中，号雍王，于是派兵驻守函谷关（今河南灵宝老城东南北寨村之北），以防诸侯入关。同时，宣布废除秦朝苛政，与关中父老“约法三章”：“杀人者死，伤人及盗抵罪”。
项羽自认为功劳最大。然而胜利在即之际，却被刘邦抢先进入关中，夺取了胜利果实，自然怒气冲天，于是率诸侯军40余万入关。汉元年十二月，项羽命英布攻破函谷关，进驻新丰鸿门（今陕西临潼东），意图消灭刘邦军。刘邦军不足10万，自料力不能敌，于是还军灞上，并竭力拉拢项羽的叔父项伯请为调解，并亲赴鸿门谢罪，示以诚意，并表示归顺，项羽决心动摇，放走了刘邦。
数日后，项羽引兵西进咸阳，杀秦降王子婴，火烧宫殿，大火三月不灭。时韩生劝谏项羽：“关中阻山河四塞，地肥饶，可都以霸。”项羽却说：“富贵不归故乡，如衣绣夜行，谁知之者！”于是烹杀谏者，放弃了建都关中形胜之地的良好抉择。 主词条：项羽分封
项羽上书义帝请封功臣，怀王回复“如约”。项羽大怒，不遵义帝之命，自主分封。汉元年（公元前206年）二月，项羽尊楚怀王为义帝，立十八诸侯。而割梁楚九郡自王之，号“西楚霸王”。
四月，诸侯兵罢戏下，各就国。
项羽封刘邦为汉王，以“巴、蜀亦关中地“为由，封与刘邦。刘邦定都南郑（今陕西汉中）。又将关中地区分为三部，封秦降将章邯、司马欣、董翳分别为雍王、塞王、翟王，合称“三秦”，企图通过他们控制关中，将刘邦困锁在汉中巴蜀地区。 刘邦被改封到汉中，初不欲就国，谋攻项羽，萧何进言曰：“汉水上应天汉。汉中，据有形胜，进可攻退可守，秦以之有天下”。
刘邦于是采纳萧何建议，屈就汉王封号，招贤纳士以图天下，同时确定了收用巴（郡治江州，今重庆市北嘉陵江北岸）、蜀（郡治成都，今四川成都），还定三秦，东向以争天下的方略。
四月，忍忿前往汉中（郡治南郑，今汉中市城东）就国，而张良亦回韩国就任韩相。刘邦去汉途中烧毁所过栈道，防止诸侯军偷袭，并借此表示无东向之意，以麻痹项羽。项羽亦于同时班师彭城。
至汉中后，故项羽帐下执戟郎中韩信因不受重用而弃楚归汉。后经过萧何举荐于汉元年五月任大将军。刘邦积极为回师关中做准备。 汉元年（公元前206年）四月，诸侯罢戏下，各就国。
项羽以韩王(韩成)灭秦无功为借口，不让他就国而带他到彭城，废为侯爵，又把他杀了，立吴县县令郑昌为韩王。 原燕王韩广不愿徙王辽东，新燕王臧荼攻杀之于无终，并其国。
五月，齐相田荣不满项羽分封，攻打临淄王田都，田都逃到楚国，田市本被项羽封为胶东王，田荣却立田市为齐王，不让他去胶东就国，田市畏惧项羽，前往胶东就国，田荣对这个不争气的侄子大怒，派人追杀田市于即墨，又回军攻杀济北王田安。这样田荣击并三齐，遂自立为齐王。并予彭越将军印，令其击楚。项羽派萧公角攻打彭越，被彭越打得大败。
汉二年十一月，赵将陈馀因不满项羽分封，派夏说游说田荣，从齐王田荣处借兵，与自己三县之兵一起攻常山王张耳，张耳败走，归汉。陈余重迎立代王赵歇为赵王，赵王感激陈余，立陈余为代王，陈余以赵王赵歇弱小，不去代国，以夏说为相国驻守代地，自己留在赵王歇身边辅佐赵王。
同月，项羽自己亦作乱，密令九江王英布遣将杀害义帝于郴县。
前期战事 参见：暗度陈仓、还定三秦之战
在齐地田荣兼并三齐之时，刘邦在汉中也为攻袭三秦做准备。刘邦入汉中，项羽给予刘邦三万士兵。刘邦依张良计，入南郑时烧毁栈道，以防被偷袭和向项羽示意无外侵的意愿。
韩信亦在此时背楚投靠刘邦，但没有知名，仅任连敖，后坐法当斩为滕公夏侯婴所救。夏侯婴与语知其有才能，向刘邦推荐韩信，刘邦拜韩信为治粟都尉。韩信对不能受到重用而欲离去，于是发生萧何月下追韩信故事。萧何再次向刘邦推荐韩信，刘邦拜韩信为大将军。
公元前206年八月，刘邦用韩信的计谋结果受阻陈仓，须昌侯赵衍从汉王起汉中，雍军塞渭上，上计欲还，衍言从他道，道通，趁项羽北攻田荣时，再在好畴击溃章邯，最后围困章邯于废丘。同月，塞王司马欣、翟王董翳被迫向汉王刘邦投降。之后几个月，刘邦遣将攻取陇西、北地、上郡。这样，三秦除章邯困守的废丘之外全部归汉。
而此时因项羽杀韩王成，张良间行归汉，派人遗书项羽，称“汉欲得关中，如约即止，不敢复东。”项羽以故无西意，而北击齐。
刘邦略取关中时，九月，命令薛欧、王吸出武关，与王陵联合，迎接刘太公和吕后于沛。十月，汉王拜韩王信为韩国太尉，令其循韩地，并许之若定韩地则拜其为韩王。 韩信循韩地，下十余城，项羽所立之韩王郑昌降，汉二年十一月汉立韩王信为韩王。
汉二年十月，汉王刘邦进至陕（今河南陕县）。在汉基本平定关中之后，开始准备东进了。
汉二年一月，项羽闻知刘邦已兼并三秦，且准备东进伐楚，而赵国、齐国、梁地都已反叛，项羽以齐国与梁最近，威胁最大，北上攻打齐国，项羽派使者向英布征其一同前往，但英布仅以老弱敷衍，项羽对此深为不满，几次遣使斥责。
田荣得知项羽击齐，率军迎击，被项羽打败。逃至平原，平原民杀了田荣，投降项羽，项羽立田假为齐王。但项羽采取错误政策，不仅不予召抚，反而怒田荣反，迁怒齐人，大肆屠杀，所过残灭，于是齐人纷纷复叛，项羽奔走于齐地，但远不能扑灭齐地战火。
田荣弟田横驱逐田假，立田荣的儿子田广为齐王，自领齐相，收集齐国败兵，在城阳（今山东莒县）反抗项羽，项羽一时没能攻下城阳。
此时，刘邦正在向东进军，魏王魏豹降汉，殷王司马昂也降汉，项羽封陈平为武信君，令其平定殷国，于是司马昂又降楚，过了没多久，汉王刘邦攻打殷王，平定殷地，俘虏了司马昂，项羽得知大怒，要诛杀平定殷国的将吏，陈平很害怕，于是来投汉王刘邦。 主词条：彭城之战、睢水之战
汉二年（前205年）四月，刘邦进至洛阳，接受董公“兵出无名，事故不成”、“明其为贼，敌乃可服”的建议， 以项羽杀害义帝为口实，为义帝报仇讨逆为政治号召，令三军发丧，缟素三日，发檄文布告全国：“天下共立义帝，北面事之。今项羽放杀义帝于江南，大逆无道。寡人亲为发丧，诸侯皆缟素。悉发关内兵，愿从诸侯王击楚之杀义帝者”联络各地诸侯王，趁项羽滞留在齐国时，渡过临晋关，至河内，纠集塞、翟、魏、赵、殷五国诸侯联军56万，兵分两路攻楚，北路由曹参、灌婴统率，进攻定陶，击败龙且、项它。南路为刘邦亲自统率，部将为张良、陈平、韩信，吕泽，张耳，夏侯婴、樊哙以及五诸侯军，至外黄，击败楚将程处、王武，彭越率三万人归附刘邦，刘邦封彭越为魏相国，攻打梁地，派樊哙北上攻打邹县、鲁县、薛县、瑕丘，以阻止项羽从齐国南下，向东攻打下邑、派吕泽驻守，下邑在萧县西面不远，萧县在彭城西面不远，项羽南下救援彭城必经萧县，这样，如果项羽回援彭城，吕泽可以与刘邦东西两面夹击项羽。与北路军曹参、灌婴会合，进攻砀县、萧县，攻取彭城。
项羽得知后，留众部将继续击齐，自率精兵3万疾驰南下，先击败驻守在鲁县的樊哙，当时刘邦等众诸侯已入彭城，收其货宝美人，置酒高会。项羽乘刘邦陶醉于胜利，戒备松懈之际，率军绕至彭城西，于清晨时发动突然袭击，驻守在下邑的汉将吕泽没来得及作出反应，刘邦不得不撤出彭城，楚军于是大败汉军，汉军往泗水方向溃逃，楚军紧追不舍，杀汉军十余万人，一直追击至灵壁（今安徽灵璧县）东濉水，汉军相互拥挤、践踏，加上楚军追杀，汉军十余万人皆入濉水，濉水为之不流。此役，汉军被歼数十万。刘邦急率残部先在砀县整顿，然后向西与吕泽会合。
诸侯见刘邦败，转投项羽，塞王司马欣和翟王董翳入楚为将。赵国发现汉并没有杀张耳，赵兵退去反与汉为敌，魏王魏豹回到荥阳，断绝了黄河渡口，也背叛了刘邦，只有彭越独自带领他的军队向北驻守在黄河沿岸。
项羽虽取得彭城之战胜利，但齐地战事却不利。在其率军击诸侯联军时，田横尽收齐地。但田横复国后并未攻楚，而是中立于楚汉之间，直至郦食其说齐。 刘邦到下邑，父亲刘太公、母亲刘媪和妻子吕雉被楚军俘获，被拿住做人质，刘邦派人去沛县寻找家室。张良向刘邦规划下一步对策。张良说：“九江王黥布，楚枭将，与项王有隙；彭越与齐王田荣反梁地：此两人可急使。而汉王之将独信可属大事，当一面。即欲捐之，捐之此三人，则楚可破也。”刘邦采纳张良建议。谋士随何自荐往说九江王英布，刘邦来到荥阳，与曹参、灌婴、靳歙平定雍丘王武的叛乱，程处在燕县反叛，楚柱天侯在衍氏反叛，羽婴在昆阳反叛，都被曹参平定，樊哙重新取得鲁地与梁地。
京索之战
主词条：京索之战
前205年六月，刘邦回到关中，汉军水攻废丘，雍王章邯在抵抗了十个月兵败自杀，至此三秦悉为汉有。刘邦收关中士卒回到荥阳。
随何劝降九江王英布，英布叛楚，项羽派龙且、项声攻打英布。项羽亲自进攻下邑，继续向西进攻，至荥阳，刘邦拜灌婴为中大夫，统率骑兵，在荥阳以东大败项羽，又在于“京县”（今河南郑州荥阳豫龙镇京襄城村附近）、“索亭”（今河南荥阳索河街道）之间击败楚军，将项羽楚军击退到荥阳以东。
京索之战，汉军稳住阵脚，楚军也无力突破汉军防线进攻关中。双方从来开始在荥、成一带拉钜，战争进入相持阶段。
