刘邦率军进至此，与张良的韩军合兵，攻轩辕（今河南登封市西北）略定韩地。赵别将司马卬欲渡河入关，刘邦率军北上，攻平阴，破坏渡口。南下与秦军再战洛阳东，不利，南下阳城，收取城中军马。与南阳守齮战于犨（今洒南平顶山西南）东，大破南阳秦军。
　　楚军追至南阳，想绕过直接西进。张良劝道：“沛公虽欲急入关，秦兵尚众，距险。今不下宛，宛从后击，强秦在前，此危道也。”于是刘邦还攻南阳。南阳守见楚军去而复返，并包围宛城。于是想自杀。于是他的门客陈恢劝他不要先死，并出使楚营。双方约定后，南阳守投降。

　　夺取关中
　　刘邦率军继续西行，夺取了丹水（今河南淅川）。而高武侯戚鳃、穰侯王陵这时也加入刘邦所率领的楚军，攻下西陵、胡阳。并且番君吴芮的部将梅鋗也至此，与沛公军联合，攻下析（今河南西峡县）、郦等地。
　　刘邦所部楚军进至武关东。于是派魏人宁昌使秦，而这时章邯也投降了项羽。赵高杀秦二世，令使者还报刘邦，欲约分关中。
　　刘邦以为赵高为诈计，于是从张良之计，使郦食其、陆贾游说武关（今陕西丹凤县武关镇）秦将降，然后袭击武关秦将，夺取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取了秦的汉中、巴、蜀等地。
　　接着汉军再在嶢下击败秦军，这样刘邦所部楚军进至秦都咸阳附近的蓝田。秦廷在组织了最后的力量与刘邦军队大战于蓝田，刘邦军队没有象当年周文那样一败涂地，而是大破秦军。这样秦朝失去了所有的抵抗力量。
　　汉元年十月，秦王子婴素车白马，系颈以组，降轵道（位于今陕西省西安市城区）旁，向刘邦献上了传国玉玺。秦朝至此灭亡，共立国15年零47天。

　　约法三章
　　刘邦很得意地进入了咸阳城，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋起来，准备就此住下，享受享受。樊哙劝他注意天下还没有平定，别忘了秦的前车之鉴。刘邦根本听不进去，直到张良亲自来劝，他这才认识到了问题的严重性。于是，刘邦将军队撤退到了灞上。
　　刘邦到达灞上之后，便召集当地的名士，和他们约法三章：杀人者死，伤人及盗抵罪。其他秦朝的苛刻法制一律废除，这使他得到了民心支持。