分封諸侯
項羽消滅了秦軍主力後，即率諸侯軍向關中挺進，行至函谷關，發現有兵守關，項羽軍無法通過，又聽說劉邦已經攻破鹹陽，項羽大怒，派當陽君攻破函谷關，四十萬大軍駐紮于新豐鴻門，劉邦軍十萬駐紮灞上。
劉邦左司馬曹無傷派人告訴項羽，說劉邦想在關中稱王，并且用子嬰爲相，珍寶全部占有。範增也告訴項羽，說劉邦在山東時貪财好色，入關後卻不取财物女人，志向不小，應該趁早殺了他。
項羽叔父項伯與劉邦手下的張良關系友好，連夜前往劉邦軍見張良，想要勸張良逃走，卻反被張良拉攏。項伯回來後告訴項羽，劉邦攻破鹹陽有大功，如果進攻他是不義之舉，項羽表示贊同。
劉邦第二天率領一百多騎兵來見項羽，範增暗示項羽殺掉劉邦，但項羽爲人不忍，默然不應。于是，範增讓項莊于席間舞劍，伺機刺殺劉邦，而項伯也拔劍起舞，擋住項莊。張良見狀，至軍門找樊哙前來。
樊哙強行進賬，對項羽進行一番了說辭，項羽無言以對。于是劉邦伺機逃脫。他留張良将白璧玉鬥獻給項羽和範增，自己以上廁所爲由，扔下車騎，隻帶樊哙、夏侯嬰等人從郦山道逃回霸上。項羽接受了白璧放在桌上，而範增卻将玉鬥摔在地上拔劍砍破，歎道：“奪項羽天下的人，一定是劉邦。”
項羽進入鹹陽後，引兵屠戮鹹陽，殺秦王子嬰，火燒秦王宮，大火連續燒了三個月沒有滅，搜集寶物美女準備回江東，有人勸項羽說關中富饒，可以成王霸之業。但項羽見秦王宮都已經被毀壞，自己又迫切的想回到江東，于是不聽。那人又說，都說楚人性情殘暴，果然是這樣。項羽聽到後，把那個人殺了。
項羽在得到楚懷王的同意後，自立爲西楚霸王，封劉邦爲漢王，章邯爲雍王，司馬欣爲塞王，董翳爲翟王，魏王豹爲西魏王，申陽爲河南王，司馬殷王，趙王歇爲代王，張耳爲常山王，當陽君英布爲九江王，吳芮爲衡山王，共敖爲臨江王，燕王韓廣爲遼東王，臧荼[zāngshu]爲燕王，齊王田市爲膠東王，田都爲齊王，田安爲濟北王等十八個諸侯王。
彭城之戰
項羽分封完諸侯，諸侯各前往封國，項羽将義帝遷往長沙郴縣，暗中令衡山王吳芮、臨江王共敖于途中将義帝殺死。
漢元年（公元前206年）八月，齊、趙諸侯叛亂，項羽率軍前往平亂，聽聞劉邦已定關中，非常憤怒，封鄭昌爲韓王，派其前往阻擋劉邦，令蕭公角阻擊彭越。彭越擊敗蕭公角後，張良僞作韓王書給項羽，說劉邦隻想得關中，不會向東用兵，又僞作齊王、梁王書給項羽說齊王準本和梁王齊心協力滅掉楚國。于是項羽放心攻打齊國。項羽征召九江王英布，英布托病不出，派遣手下将領隻率領幾千人前往，項羽因此怨恨英布。
漢二年（公元前205年）冬，項羽北至城陽，田榮引兵會戰，被項羽擊敗，田榮逃往平原，被平原民殺死。項羽燒毀齊國房屋，将降卒全部坑殺。把擄掠的男女老幼全部遷往北海，死傷無數，齊國人因此聚在一起反叛，田橫趁機收編齊兵數萬反攻城陽，項羽久攻不下。
劉邦率領五路諸侯兵馬有五十六萬，向東攻打楚國，項羽聽聞後，留部将繼續攻齊，自己親率精兵三萬去救援彭城。劉邦攻下彭城後搜集珍寶美人，大擺宴會。項羽率軍從早晨開始，由蕭縣從西打到東，中午時打到彭城，大破劉邦軍，殺死漢兵十餘萬。劉邦軍逃往南山，項羽率軍追到靈壁東阻攔，漢兵落入睢水十餘萬，睢水爲之不流。項羽把劉邦包圍了三層，卻被一陣大風吹亂楚軍，劉邦趁機率領數十騎兵走脫。
彭城之戰
劉邦逃往下邑，收集敗亡散卒至荥陽，各路敗軍先後前來會合，蕭何也發動關中沒有登記在冊的百姓前來投奔劉邦，劉邦因此軍勢得以重振。項羽乘勝來戰，無法取勝。劉邦彭城大敗後，諸侯反叛劉邦，歸附項羽。
漢三年（公元前204年），劉邦在荥陽修築甬道用以過河取敖地的糧食，項羽軍多次侵奪甬道，劉邦軍無法取得糧草補充，非常害怕，于是，與項羽議和，項羽同意。
鴻溝和議
項羽在範增的建議下，與範增合圍荥陽，打算把劉邦消滅。劉邦非常害怕，采取陳平的計策，離間項羽和範增，項羽于是剝奪了範增的權利。範增沒有想到項羽竟然會懷疑自己和劉邦有勾結，十分氣憤，于是告老還鄉，但在途中病死。
項羽将荥陽的劉邦四面圍定攻打，劉邦軍勢非常危急，部将紀信于是引兩千軍乘黃車假扮劉邦出城，說劉邦願意投降，項羽趕來見到紀信問劉邦在哪，紀信說劉邦已經逃走了，項羽于是将紀信燒死。
漢四年（公元前203年），項羽攻下荥陽，處死荥陽守将周苛、枞公。而劉邦走宛、葉，派人說服英布背叛項羽，進入成臯。項羽得知後迅速率兵前來攻打，奪下成臯，一路西進。劉邦逃亡鞏縣，派重兵阻擋，項羽無法挺進。
此時，彭越渡河攻擊東阿，楚将薛公兵敗身死，項羽于是親自率軍攻打彭越，彭越敗走，但成臯卻被劉邦趁機奪下。項羽回軍與劉邦對峙于廣武，相持了幾個月。