汉元年四月，项羽率40万诸侯联军进入关中，自恃功劳最大，擅自分封天下，尊楚怀王熊心为义帝（不久后将其杀害），割梁楚九郡自封为西楚霸王。
随后又分封十八路诸侯王，封刘邦为汉王；秦降将章邯、董翳、司马欣为雍王、翟王、赛王；封齐国旧贵族田都、田安、田市为临淄王、济北王、胶东王；封赵国旧贵族赵歇、旧臣张耳、旧将司马卬为代王、常山王、殷王；封魏国旧贵族魏豹、韩国旧贵族韩成为西魏王、韩王；封燕国旧将藏荼、张楚旧将韩广为燕王、辽东王；封部将英布、共敖为九王、临江王；封秦旧吏吴芮为衡山王。
项羽分封完全没有考虑到各路诸侯的利益，仅凭自己的好恶和关系的亲疏，一意分封，使得各路诸国对项羽非常不满。
分封后不久，项羽以韩成灭秦无功为由，杀韩成，另立吴县县令郑昌为新韩王。天下初定，项羽就废杀了自己立的韩王，自毁长城，使得本就不满分封的各路诸侯王开始互相攻伐，成为楚汉战争的导火索。
韩成一死，燕王藏荼就截杀了不愿就国的辽东王韩广，吞并辽东（韩广原是秦国小吏，陈胜吴广起义后，加入义军为将，后出使燕国被燕国贵族立为燕王，藏荼为韩广部将。项羽分封时，认为燕王韩广出生低微，改封其为辽东王，立藏荼为新燕王）。
汉元年五月，齐相田荣不满项羽分封，攻打临淄王田都，田都不敌逃往楚国。夺下临淄后，田荣迅速攻沙胶东王田市，济北王田安，并三齐自立为齐王，随后派彭南下攻楚，击败楚国萧公角的援军。
汉元年八月，刘邦明修栈道暗度陈仓，入主关中，围雍王章邯与废丘，翟王董翳、塞王司马欣降汉。张良投奔刘邦，并派人送书给项羽，言：“汉欲得关中，如约即止，不敢复东”，项羽北上攻齐。
汉元年九月，刘邦拜韩王信（于名将韩信同名，故称韩王信以作区分）为韩国太尉，令其攻韩，许诺入定韩国后，封其为韩王。
汉二年十一月（秦历以十月为岁首），同样不满项羽分封的赵将陈馀，派夏说出使齐国，从田荣处借兵，击败常山王张耳。张耳败走降汉后，陈馀迎赵歇为赵王，重建赵国，赵歇复立陈馀为代王，陈馀以赵歇弱小，任夏说为丞相，驻守代郡，自己则留在襄国，辅佐赵歇。同时，韩王信攻入韩地，韩王郑昌都汉，刘邦封韩王信为韩王。
汉二年一月，刘邦平定除废丘外三秦诸郡，出关伐楚。项羽在齐地击败田荣，立田假为齐王，但项羽在平定齐地叛乱后，迁怒齐人，大肆屠杀，导致齐地复叛。田荣之弟田横驱逐田假，立田荣之子田广为齐王，收聚败兵，在城阳反抗项羽。
于此同时，刘邦出关进入河东，西魏魏豹、河南申阳，殷王司马卬降汉。项羽封陈平为武信君，令其平定殷国，殷王司马卬惧项羽，于是叛汉归楚。刘邦率军攻打叛变的殷国，俘虏了司马卬，项羽得知后扬言要诛杀殷国将吏，陈平害怕项羽迁怒自己，投靠刘邦。
汉二年四月，刘邦抵达洛阳，以项羽杀害义帝为由，联络各路诸侯王，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；南路由刘邦亲自率领，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，最后与北路军曹参、灌婴会合，进攻砀县、萧县，攻取彭城。
项羽得知刘邦攻取彭城，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，随后迅速南下，趁刘邦还没有反应过来之时突袭彭城，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，一直追击至灵壁东的濉水，汉军相互拥挤、践踏，加上楚军追杀，汉军十余万人葬身濉水。此役，汉军被歼数十万，刘邦仅率十余骑败逃下邑与吕泽会合，退回荣阳。
诸侯见刘邦败，转投项羽，塞王司马欣和翟王董翳入楚为将。赵国发现刘邦并没有杀张耳，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。
汉二年六月，刘邦回关中，水淹废丘，章邯兵败自杀。项羽率楚军主力攻取下邑，直指荣阳。刘邦返回荣阳后，拜灌婴为中大夫，统领骑兵，在京、索两地之间击败楚军，将项羽楚军击退到荥阳以东。京索之战的胜利，使刘邦稳住了彭城败退以来的局势，楚汉争霸进入对峙时期。
汉二年九月，韩信突袭安邑，生擒魏豹，灭魏国。安邑之战后，刘邦继而采纳韩信“北举燕、赵，东击齐，南绝楚少粮道，西与大王会于荥阳”的建议，给韩信增兵3万，开辟北方战场，以消灭楚的羽翼，实现对楚的战略包围。
汉二年闰九月，韩信在阏与击败代军，生擒相国夏说，代亡。
汉三年十月，韩信、张耳率领汉军越过太行山，与赵军在井陉对峙。刘邦趁赵军在北方与韩信对峙，离开荣阳，渡过黄河攻打赵国腹地。位于井陉的赵军进退两难，被韩信击败，陈馀，赵歇逃往襄国。韩信、刘邦南北夹击，攻破襄国，俘杀赵歇，赵国灭亡。燕王藏荼，自知不敌，降汉。
汉三年十一月，九江王英布降汉，项羽派龙且攻打英布，英布不敌逃汉，九江诸郡为楚所占。
荣阳对峙期间，刘邦开挖敖仓至荣阳的甬道，源源不断的向荣阳运送兵粮，项羽率军数次攻夺甬道，切断汉军粮草供给。刘邦以牙还牙，派灌婴、靳歙离开荣阳，越过梁地，与彭越联合，攻打楚国后方的鲁县，切断楚军补给，扰乱敌后，向彭城施压。
汉三年七月，韩信、张耳平定了赵国的叛乱余波，南下与刘邦会师于修武。
汉三年八月，由于灌婴、靳歙和刘邦的离开，导致荣阳的汉军力量不足，被项羽攻破，守将周苛，韩王信被俘，刘邦想要夺回荣阳，却被郑忠劝阻，暂避锋芒。
此时，灌婴与靳歙在鲁县打败了项冠，得知荥阳已失，靳歙南下攻打楚国腹地继续牵制项羽，灌婴率骑兵返回前线增援，在燕县打败楚将王武，又在白马津打败楚将桓婴，过白马津渡黄河，到达河内与刘邦会合，护送汉王刘邦南渡黄河回到洛阳，随后与项羽在巩县交战，击败楚军，致项羽无法继续西进。
刘邦在巩县遏制了楚军的攻势后，乘胜追击，意图夺回成皋，楚军坚持皋险要，汉军攻之不下，刘邦打算放弃进攻成皋，退守巩县与洛阳。谋士郦食其劝阻刘邦，不要退却，并向刘邦说明敖仓的重要性，放弃成皋与荥阳就意味着放弃敖仓。此时楚军后方受到靳歙的牵制，不能全力攻打敖仓，劝刘邦务必加紧进攻成皋，收复荥阳，坚守敖仓。并自请出使齐，劝说齐王田广降汉。
汉四年十月，灌婴回援刘邦后，靳歙继续攻打楚国的腹地，攻克了缯县、郯县、下邳、蕲县、竹邑，几乎包围彭城。靳歙本想“围魏救赵”，结果韩信听闻齐王韩广投降了，为了自己当齐王，擅自攻打齐国。刘邦无奈之下，派灌婴、曹参等援助韩信攻打齐国，连破历城、临淄。齐王田广，独木难支，投靠项羽，项羽派龙且率20万楚军支援齐国。
楚汉齐三国在东边大战，项羽占据成皋与巩县的汉军对峙。为夺回成皋和荣阳，刘邦派使者前往燕国求援，又命令刘贾与卢绾率领二万人渡过白马津，与彭越配合，烧掉楚军的粮草。刘贾、彭越等在燕县以西打败楚军，攻占睢阳等17座城池，搅乱楚国腹地。项羽留大司马曹咎守成皋，亲自攻打彭越与刘贾。
汉四年十一月，刘邦乘项羽东去兵力薄弱之机，反攻成皋。初时，成皋楚军坚守不战，刘邦数次遣人到阵前辱骂，终于激怒曹咎，率部出击。汉军乘楚军半渡汜水之时，全力反击，斩杀了曹咎，俘虏前塞王司马欣与翟王董翳，夺回成皋。乘胜进至广武，并包围楚将钟离昧于荥阳以东。
项羽闻曹咎战败，钟离昧被围，急忙从睢阳返回援救，刘邦无力彻底消灭楚军，退回成皋，楚汉双方与广武再次形成对峙局面。齐地的韩信、灌婴、曹参等汉军合力击败齐王田广和龙且的20万楚军于潍水，齐国全境也被汉军平定。
汉四年二月，韩信自立为齐王，项羽派武涉赴齐国，游说韩信，劝他助楚抗汉。韩信本就是受刘邦重用而拜将入相，且齐地汉军将领都是刘邦的亲信，于是拒绝了项羽，并派灌婴南下攻楚。
灌婴南下，首先进攻楚国的鲁地，大破楚将薛公杲于鲁北，破薛郡、攻博阳，进军至下相，夺取取虑、僮、徐等县，接着渡过淮河，进至广陵，尽降楚国城邑。
项羽急忙派项声、薛公、郯公夺回淮北。灌婴北渡渡淮，在下邳大败项声、郯公军，接着追击楚军，于平阳歼灭，回师攻占彭城，俘虏楚柱国项佗，降服留、薛、沛、酂、萧、相等县。攻苦、谯，再次俘获亚将周兰。
汉四年八月，腹背受敌粮草不济的项羽被迫议和，与刘邦约定以鸿沟为界，西汉东楚。刘邦换回彭城之战被俘的家人后，听取张良、陈平的建议，趁楚军退兵背盟出击。
汉五年十月，刘邦数败楚军，追项羽至固陵，一方面派刘贾南渡淮水包围寿春，切断楚军退路，另一方面调平定淮北的灌婴、靳歙等合围项羽于固陵。
刘贾南渡淮水后，遣使劝降大司马周殷，与刘贾攻取寿春，后前往城父垓下一线对项羽进行战略合围。三路汉军合围楚军于固陵，击溃楚军钟离昧部，项羽逃至陈下，汉军于陈下再败楚军，项羽经城父，逃向垓下。见项羽败局已定，韩信自知再无三国鼎立的可能，帅军南下围堵楚军。
汉五年十二月，刘邦、韩信、刘贾三路大军将10万楚军围困于垓下。楚军兵少食尽，屡战不胜，夜闻四面楚歌，军心瓦解，最后一支楚军主力被汉军击败，项羽兵败于乌江自刎，楚国灭亡。楚汉战争以刘邦的胜利落下帷幕。
西楚败亡后，衡山王吴芮降汉。临江王共尉负隅顽抗，汉军攻破临江国都江陵，俘杀共尉。至此，秦末十八路诸侯全部覆灭或降汉，结束了秦末以来的乱世。
汉五年一月，刘邦论功行赏，分封诸侯，封韩信为楚王，彭越为梁王，韩王信为韩王，吴芮为长沙王，英布为淮南王，藏荼为燕王，张耳为赵王。二月，刘邦登基称帝，正式建立大汉王朝。
西汉建立后不久，初吴芮家族外，其余异姓诸王或谋反失败，或自杀，或赐死全部被刘邦废除，进一步巩固了封建君主专制，稳定了的国内局势，推动汉朝走向强盛。
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