汉元年二月，诸侯罢戏下，各回国。刘邦只好忍气吞声接受封号，于四月领兵入汉中、并烧毁栈道（用木板架在悬崖上铺成的道路），表示再也无意出兵，以麻痹项籍。11月，刘邦挥军东出，拜韩信为大将，明修栈道，暗渡陈仓（今陕西省宝鸡市东） ，名为义帝发丧，派人联络诸侯，公开声讨项籍，拉开了4年楚汉战争的序幕。
　　很快，在汉元年五、六月份，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。刘邦乘乱重返关中，击败章邯，迫降司马欣、董翳，并用计欺骗项籍，使其相信自己取得关中后已心满意足，再也不会东进了。项籍放心去攻打田荣，对西边没有加强防范。项羽则最终陷入齐地泥潭无法抽身。这样给了刘邦绝佳的机会。

楚汉之争
　　彭城之战
　　公元前205年5月，刘邦乘项籍在齐国停留的机会，率领诸侯联军56万一举攻占彭城。短暂的胜利是刘邦失去理智，天天与诸侯们喝酒庆祝。项羽闻之，急率轻骑兵3万奔袭，联军被杀十万，溺水淹死十万，刘邦仅率数十骑逃脱，反楚联盟瓦解。

　　荥成对峙
　　同年6月，刘邦到达荥阳，一路收集败兵，并派韩信于萧索之间击败了楚追兵，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。7月，一直负隅顽抗的章邯终于兵败自杀，刘邦解除了后顾之忧；且在逃往荥阳前便派人说服英布反楚，联络彭越扰楚后方；派韩信开辟北方战场，攻魏俘魏王豹，破代，灭赵杀陈余。公元前205年冬，项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃出荥阳。项籍加紧围攻荥阳，并夺取成皋。
　　为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛（今河南南阳）、叶（今叶县南），想引诱项籍南下。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）。项籍被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。公元前204年7月，项籍以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。

　　鸿沟为界
　　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雎阳（今河南商丘南）、外黄等地，再次迫使项羽回救。公元前204年11月，刘邦用计再次收复成皋，斩杀了项羽大将曹咎。