秦二世三年（前207）八月，赵高杀秦二世，并且遣使向刘邦求和，“约分王关中”，遭到拒绝。九月，秦去帝号，不久秦王子婴杀赵高。十月，刘邦兵临灞上（今陕西西安东），子婴捧着皇帝的玺、印、符、节前往降伏，秦朝至此灭亡。
刘邦率军西进，前后不到一年的时间，就灭亡暴秦，攻克咸阳，这个速度是相当惊人的，从中可以看出他过人的智谋和行动能力。进入咸阳以后，刘邦老毛病发作，想搬入秦宫中享乐，被张良、樊哙所谏阻。于是刘邦封存了咸阳城中的“重宝财物府库”，还军灞上。十一月，他召集关中父老说：“你们为秦朝的苛暴法律所苦，我今天除去秦法，只和你们约定三条法规。”
这就是著名的“约法三章”，是指“杀人者死，伤人及盗抵罪”。刘邦此举，安定了关中的民心，为他日后以此为基础进图天下，打下了稳固的基础。
而项羽既破秦军主力，听说刘邦已入关中，匆忙纠集各路诸侯兵马西进，攻破函谷关（今河南三门峡西南），驻军新丰鸿门（今陕西临潼东项王营）。刘邦的左司马曹无伤听说项羽杀了过来，想要自我撇清，于是偷偷跑去打小报告说：“沛公欲王关中，令子婴为相，珍宝尽有之。”项羽大怒，准备一天亮就率军攻打刘邦驻军的灞上。当时项羽有兵马40万，号称百万，刘邦有兵马10万，号称20万，势力对比十分悬殊，刘邦根本就没有胜算。
项羽的叔父项伯曾在秦朝时杀人逃亡，得到过张良的救助，他恐怕大军一到，玉石俱焚，就于当晚悄悄前往刘邦营中通知张良尽早躲避。张良把他介绍给刘邦，刘邦解释说：“我入关后，财物一毫不敢取用，全等项羽将军前来分派。所以派兵守关，是以防发生意外，而非防备项羽将军。”项伯答应为刘邦求情，但要他第二天前往鸿门去亲自赔罪。
这就是历史上著名的鸿门宴。范增劝项羽说：“沛公居山东时，贪于财货，好美姬，今入关，财物无所取，妇女无所幸，此其志不在小。”建议及早除之。可惜项羽有点妇人之仁，推说先见一面再说。
刘邦一个劲儿解释、告饶，项羽也就消了气，留他喝酒，还老实地说穿告密者：“是你的司马曹无伤说你想反对我呀。”范增实在气不打一处来，暗中对部将项庄说：“主公为人太心软了。你过去给刘邦敬酒，敬完后请求舞剑助兴，趁机把他宰了。现在不杀他，咱们迟早都会变成他的俘虏！”于是项庄起而舞剑，几乎剑剑都直指刘邦的咽喉。
项伯看不下去了，也跳起来请求同舞，用自己的身体来掩护刘邦，使项庄逮不着机会下手。张良偷偷溜出营去，找到樊哙，说：“今者项庄拔剑舞，其意常在沛公也。”樊哙勃然大怒，腰佩长剑，挺着盾牌就往里闯，“嗔目视项王，头发上指，目眦尽裂”。项羽吓了一跳，按剑欠身问道：“你是干嘛的？”张良介绍说：“沛公之参乘（同乘一辆战车）樊哙者也。”项羽点头说：“壮士！赐他酒喝吧。”于是从人给了樊哙一斗酒。项羽又说：“赐他猪腿吃。”从人就拿来一只生猪腿。
樊哙把盾牌放在地上，生猪腿放在盾牌上，“拔剑切而啖之”。项羽问：“壮士，能复饮乎？”樊哙慷慨陈词说：“我死都不怕，还怕多喝点酒吗？想那秦王，有虎狼之心，杀人怕杀得不多，判刑怕判得不重，天下人全都背叛他。楚怀王与诸将约定：‘先破秦入咸阳的，就在关中为王。’现在沛公先进入咸阳，什么都不敢碰，封闭宫室，还军灞上，专等将军您来。所以派将守关，是防备意外发生，不是提防将军您。这样劳苦功高，没有封侯重赏，反而听信小人之言，想要杀害有功的沛公。这种行为和暴秦有什么两样？我认为您不应该这样做！”
项羽听了这话，感觉有点惭愧，半天开不了口。刘邦趁机借口上厕所逃了出去。樊哙劝刘邦快走，不用告辞了，“大行不顾细谨，大礼不辞小让。如今人方为刀俎，我为鱼肉，何辞为？”刘邦就请张良代替他向项羽等人告别，还送上白璧、玉斗各一双。他叮嘱张良：“这里距灞上二十多里，我弃车骑马，和樊哙、夏候婴、靳强、纪信四人从郦山山麓逃回。你估计我到了，再去辞行。”张良依计办理。项羽并不生气，范增却恼得把送给他的玉斗扔在地上，拔剑乱砍，说：“竖子不足与谋。夺项王天下者，必沛公也。吾属今为之虏矣。”那边刘邦一回到自己营中，立刻就杀了进谗言的曹无伤。
刘邦知道以自己目前的实力，根本无法和项羽对抗，于是打开城门，迎接项羽进入咸阳。项羽在咸阳大肆屠杀了一番，宰掉投降的秦王子婴，还放一把火把阿房宫烧了，大火三个月都没有熄灭。这样的暴行，当然得不到关中人心，他自己心里也有数，就劫掠了大批财宝、美女，全都拉回关东去。
汉王刘邦元年（前206）正月，项羽架空楚怀王，尊为义帝，送往长江以南居住。二月，他自立为西楚霸王，大封诸侯，破坏“先入关中者王之”的前议，把关中封给了秦朝的降将章邯、司马欣和董翳，却封刘邦为汉中王，领地为今天四川省的大部和陕西省南部，想把刘邦封闭在当时较为偏远、落后的西南地区。面对项羽的强大势力和如日中天的声望，刘邦不敢不从，于是率军归蜀，还烧绝栈道，以示永不再回中原。
其实对项羽分封不满的还大有人在，不止刘邦一个。项羽把反秦斗争中复国的各国诸侯都徙往偏远地区，把他们的土地空出来封给自己的将领和亲属，引起了各方面的反对。刘邦才刚归国，关东就有田荣、陈余等叛乱，项羽亲往征伐，但各地反抗的怒火却越烧越旺，使其自顾不暇，焦头烂额。于是刘邦拜韩信为大将，暗出陈仓（今陕西宝鸡市东），快速平灭三秦王，重新控制了关中地区。
刘邦烧绝栈道是在汉王元年（前206）的四月，八月还定三秦，前后不过四个月的时间。整体策略短时间内作如此重大的调整，昭显了刘邦平定天下的宏图大志和决心。楚汉战争，就由此拉开了序幕。