项羽率北路楚军于巨鹿之战一举歼灭秦军主力。
40余万，自恃功劳最大，并取得了诸侯上将军地位，统率诸侯之兵，实力雄厚。
与此同时，刘邦率另一路楚军所率义军亦转战于河南，招降纳叛，屡破秦军，先行入关接受秦王子婴投降。按照楚怀王“先入定关中者王之”之约，刘邦欲称王于关中。
项羽亦率诸侯军40余万直奔关中。项羽自认功高，自恃强大，遂自行分封天下，并拒绝把先入关的刘邦封为关中王，将其改封到汉中（郡治南郑，今陕西汉中）为王，王巴蜀、汉中三郡，引起刘邦不满。并任秦三降将分别为雍王、塞王和翟王，监察并围堵刘邦。
固陵之战 刘邦遂听张良、陈平的建议，趁楚军锐气消磨殆尽的退兵路上发起追击。彭越趁项羽向南撤退到阳夏之机，攻克昌邑旁二十多个城邑，缴获谷物十多万斛，用做汉王的军粮。刘邦亦趁几率军发起追歼，于汉五年十月（按：这时以十月为岁首）击败项羽亲率楚军取得阳夏（今河南太康），樊哙虏楚大将周将军卒四千人。刘邦率领汉军追击项羽至固陵，刘邦另派刘贾南渡淮水包围寿春，刘贾很快到达，派人寻找机会招降楚大司马周殷。周殷叛变楚王，帮助刘贾攻下九江，迎着武王黥布的军队在垓下会合，断项羽向南逃后路，并共同攻打项羽。
不久，灌婴、靳歙率领骑兵军团从彭城往固陵而来，刘邦亲自在固陵东边颐乡与灌婴率领的汉军铁骑会合。项羽得知灌婴、靳歙等率领汉军东来后，为防自己被包围往南退守至陈下，刘邦在灌婴、靳歙率领精锐骑兵到来后，发动反攻。汉将宣曲侯义率领骑兵和汾阳侯靳强率汉军为先锋，攻固陵楚军，便击破了楚大将钟离昧的部队，揭开了陈下之战的序幕。
垓下一战，刘邦全歼楚军，获得最后胜利。项羽败亡后，楚地陆续平定，最后唯原项羽封地鲁不下，汉军乃以项羽头示鲁，鲁遂降，楚国至此全部平定。
楚汉战争末期，属楚国阵营的衡山王吴芮、九江王英布先后归附汉王刘邦，唯临江王仍不听命。
汉五年（公元前203年）十二月，汉军又攻破临江国都江陵（今湖北荆州），俘虏项羽所立的临江王共尉。