汉王元年（公元前206年）二月，项羽主持分封天下诸侯。他违背楚怀王关于先入咸阳为王的约定，把刘邦分封到巴蜀、汉中为汉王。他又三分关中，由秦降将章邯等三人驻守，称为“三秦”，企图抑制刘邦东进。与此同时，他又分封了许多原六国贵族为王。项羽自己则称西楚霸王，都彭城（今江苏徐州）。项羽带兵40万回到故乡彭城，为的是在家乡人民面前炫耀卖弄。
项羽的分封，使刘邦非常气愤，他曾想同项羽拼个死活。萧何认为汉军兵力远不如项羽，战必败，不如暂去封地，安抚百姓，积蓄力量，然后平定三秦，再与项羽争天下。刘邦采纳了这一以退为进之计，汉王元年（公元前206年）四月他率部来到南郑（今陕西南郑），一面着手治理巴蜀和汉中地区，一面准备平定三秦。
善于识人的刘邦为了今后夺得天下，任用了两个人，下了两步妙棋。他首先拜萧何为相，命他全权处理汉中的内政事务。萧何上任伊始，便发文告，查户口，分田地，奖励农耕，发展生产，没过几年，汉中就富裕起来了。乘项羽与齐王交战的机会，刘邦出兵关中，一战而胜。在关中地区，他仍然拜萧何为相，放手让他治理。不久，关中的经济也有了很大的发展。
过去被项羽付之一炬的许多宗庙、宫室、官衙都相继修建完工，百姓情绪为之一振。这一切都为刘邦以后的迅速出兵反击项羽奠定了良好的基础。尤其是后来刘邦与项羽双方交战虽然屡战屡败，但由于有了汉中、关中这两块巩固的后方根据地源源不断地输送兵力和粮草，使刘邦能屡败屡战，直到夺取最后的胜利。
刘邦在汉中还下了一着妙棋，任用军事奇才韩信为大将。刘邦手下本有不少武将，如樊哙、灌婴、曹参、夏侯婴、周昌等。他们能冲善杀，但都不懂兵法权谋，没有攻守兼备的本领。
刘邦入关前的战斗，大部分靠的是文臣的筹划，不战而胜，迫切需要一位能晓兵法、能指挥军事的大将。恰在这时，萧何发现了韩信卓越的军事才干。韩信曾在楚营任职，因项羽不重视他的才干，才转投汉营。萧何说欲争天下，不任用韩信就难成气候，使刘邦怦然动心，毅然决定拜韩信为大将，统率各路军马，使汉军有了顶梁柱。部队经过韩信操练，军力日强。
这样，在刘邦手下，萧何镇守后方，韩信率将士奋战前线，以张良为首的智囊团运筹帷幄，游说策反，形成了一个三位一体、有强大能量的领导型互补人才集团。经过努力，刘邦终于弥补了缺陷，具备了反楚的雄厚实力。
刘邦经营关中后不久，看出项羽在政治上许多地方不得人心，坑杀秦降官兵20万，火烧阿房宫……尤其是对楚怀王显得过于残忍。楚怀王本是项梁为争取民众而树的一尊政治偶像，在反秦之战中，虽然没有什么直接功劳，但间接地也起了些作用。项羽掌权以后，尊怀王为义帝，把他远远地打发到郴邑（今湖南郴县），又派人在路上将他杀死。而刘邦在这方面很注意自己的形象，笼络了不少人心。于是，趁项羽转战于齐、赵之机，刘邦公开扯起了反楚大旗。
楚汉正式交锋以后，刘邦的势力远不如项羽，屡次被项羽打得大败。彭城一战，汉军几乎全军覆没，刘邦差一点当了俘虏，其父刘太公与妻吕雉被项羽抓去，留在楚营当作人质。但刘邦多管齐下，一是广泛联合各方面的力量，建立反楚统一战线，终于消灭了项羽。
早在楚汉分裂之前，刘邦已运用灵活的交际手段，网络了大批的反秦斗士，发展壮大自己的势力。起义之初，他曾联合彭越、魏将皇甫欣和武蒲，合攻秦的昌邑，在和杨熊交战时，获得了张良所率韩军的支援；在西进关中的路上，他注意收集陈胜、吴广的余部；攻下陈留后，他接收了郦商的3000人马。从下宛城开始，他就很注意将沿途降城的官兵予以整编，这虽然冒险，但因这些人一上战场即能作战，故刘邦还是大胆任用。
楚汉正式分裂之时，他也如法炮制。汉二年（公元前205年）初，刘邦率军出关，收降、虏获了河南王申阳、魏王豹、殷王司马ィ收编了他们的军队，一直打到洛阳。根据新城（今河南商丘南）人董公的建议，他以给义帝发丧为名，向项羽作政治上的摊牌，号召全军戴孝，哭灵三日，并派使者遍访诸侯，婉请他们共同声讨谋杀义帝的罪人项羽。诸侯群起响应，不到两个月，汇集到刘邦手下的诸侯军队就达56万人。刘邦率领这支大军，浩浩荡荡，一举攻下项羽的老巢——彭城。刘邦的统战措施初见成效。
彭城之战惨败后，刘邦困在荥阳、成皋。为了扭转劣势，刘邦汲取教训，采取更实用有效的高招，以名利相诱，将分封关外土地为条件，联合英布、彭越、韩信，共同反楚，欲使项羽四面受敌。
英布是项羽部将，因功被封为九江王。由于英布没有亲自率兵从征攻齐，他和项羽有了嫌隙。刘邦瞅准时机，派随何成功地策反英布。由于英布背楚归汉，项羽的大军被牵制了几个月，不得西进，而汉军得到了喘息之机和相当的兵力补充。兵败后的英布被刘邦封为淮南王，在楚的南边九江一带打击楚军。
为继续得到彭越的支持、合作，刘邦派人送去将军印，又拜他为魏相。在楚汉相持时期，彭越经常深入楚地，大打游击战，骚扰项羽后方，隔断项羽军的粮道。其时，刘邦守不住荥阳，部将纪信自告奋勇地假冒刘邦出城投降，吸引了楚军的注意力，刘邦才得以溜走，逃到成皋。项羽跟踪追击，刘邦只好放弃成皋。在这种情况下，刘邦面临全军覆没的危险，由于彭越的游击战吸引了项羽许多兵力，刘邦不仅消除了灭顶之灾，公元前203年10月，刘邦还乘机反攻，收复了成皋，由劣转优，取得了军事上的主动权。
韩信所起的作用更大。闪电般地平魏下赵得燕、齐，斩断了楚军的左膀右臂，使项羽成为地地道道的孤家寡人，完全陷入反楚阵营的包围圈，失去还手之力。
二是用人有方。刘邦善于延揽人才，知人善任，形成了对四周强大的吸引力。
早在起义之初，刘邦就以丰、沛乡为核心，招集了众多的人才，著名的如萧何、曹参、樊哙等。在封建社会，由于狭隘的小农观念作祟，用人往往采取排外主义。但刘邦心胸开阔，跳出了这个怪圈，不断地吸收新人，充实队伍。在西进关中的路上，就接纳了张良、郦食其等。雍齿起义前经常欺侮刘邦，起义后又叛变投魏，是刘邦平生最痛恨的人。但他被汉军俘虏后，刘邦没有杀他解恨，反而惜其勇猛，授官封侯。刘邦素不喜欢儒生，但对有才干的随何、郦食其、陆贾等人仍委以重任。
此外，刘邦很会根据不同人的特点，采取不同的方法与他们交好，争取更多的人为他效命。
韩信幼失双亲，缺少抚爱，因专心兵学，养活不了自己，蒙受过胯下之辱，形成极端自尊又极为自卑的心理。项羽不理睬他的建议，他愤而投汉；在汉营最初因不受重用，他又偷偷地溜走。针对韩信的个性，一向不重礼仪的刘邦按萧何要求，沐浴斋戒，郑重其事地筑坛拜韩信为大将，极大地满足了韩信的虚荣心。刘邦佩服韩信的神机妙算，并能迅速领会韩信的谋略，使韩信在内心把刘邦当做知己。不仅如此，刘邦还给予他父兄般的抚爱，使韩信感受到了从未有过的温暖，刘邦从精神上完全俘虏了韩信。后来韩信势壮，向汉则楚败，向楚则汉亡，保持中立就可形成三足鼎立之势。项羽的说客和韩信的门客都劝他中立，他仍不忍背汉。张良是韩国贵族之后，精研过《太公兵法》，物欲对他没有吸引力，他的最高愿望就是将所学发挥作用。刘邦不仅做他的知音，而且做他的谋略的实践者，所以他尽管因要辅佐韩王而几次离开刘邦，但过不了多少日子总是寻机返回到刘邦身边，为他献计出力。对樊哙、曹参等武将，他主要采用赏赐爵位、官职、金钱、土地等办法，而且量功定赏，使他们都感到有奔头，前途无限。由于刘邦用人手法高人一筹，其他阵营的许多人纷纷来投，刘邦的影响越来越大。
三是注意谋略的运用。在前往汉中就封时，他烧栈道，以示没有野心，以免被项羽找茬一举歼灭。后来刘邦羽毛日丰，想夺取关中，他用韩信之计，明修栈道，暗渡陈仓，一举奏效。
占领关中后，他听从张良建议，送信给项羽，说自己还定三秦，只是要实践以前“先入关中者王之”的约定，没有别的意图，借此麻痹了项羽。
陈平说，项羽股肱之臣只有几个，如范增、钟离昧、龙且等。若能使他君臣之间互起猜疑，破楚便指日可待了。刘邦连连称妙，马上拿出4万斤黄金供陈平任意支配，不加过问。陈平果然神明，没用多长时间，项羽最重要的谋士范增就失去了项羽的信任，死在回家路上。陈平通过间谍散布谣言，使项羽对钟离昧等疑三疑四，渐渐变成一个没有可信部下的独夫，一步步地走向失败。
刘邦反攻成皋，采用激将法，派人到城下轮番辱骂，连续四五天，气得曹无咎怒发冲冠，失去理智，率军出击，结果全军覆灭。一次，两军对垒，项羽架起大油锅，将刘太公搁在砧板上，以活烹太公来要挟刘邦投降。刘邦不但不显惊慌，反而笑着说：“我和你曾结拜为兄弟，我父即你父，你要烹你父，请分杯汤给我。”说得项羽无言对答，轻松地击败了项羽的诡计。又有一次，也是两军阵前，项羽要和刘邦单打独斗，一决胜负。刘邦说：“我只斗智不斗勇。”并乘机历数项羽十大罪状。正说到得意处时，项羽一箭正中刘邦前胸，他扑地而倒。但他坐起来却大叫：“狗贼射中了我的脚趾！”用自己的机智镇静，稳住了军心。垓下（今安徽灵璧南）合围时，刘邦叫士兵唱起哀伤的楚歌，楚兵听了，斗志顿消，项羽误以为汉军已占领了全部楚地，于是不再作殊死的抵抗。
项羽被迫在汉四年（公元前203年）八月，主动提出“平分天下”——以鸿沟为界（今河南荥阳、中牟、开封一带），东属楚，西属汉，还送还刘邦的父亲和妻子，然后引兵东去。雄心勃勃的刘邦不愿放弃良机，对项羽穷追不舍。在刘邦的全方位的打击下，汉五年（公元前202年）十二月，滴水成冰，天寒地冻，在凛冽的寒风中，刘邦、韩信、彭越、英布、周殷率30万大军在垓下将项羽团团包围，力能扛鼎的霸王在汉军的穷追之下，只好在乌江（今安徽和县东北）自刎，至此，楚汉战争的帷幕降落。
汉五年（公元前202年）二月初三这一天，北方的冰雪已开始融化。离顾河北面不远的定陶（今山东定陶县）城外，土坛高筑。肃立在坛周围的诸侯王及太尉、长安侯卢绾等300多人，带着激动的神情，恭听了刘邦即帝位的诏书。这一年，刘邦满50岁。刘邦建立的汉朝，史称西汉。刘邦就成为赫赫有名的汉高祖。后来，他接受刘敬的建议迁都长安。
布衣皇帝称帝后，刘邦主要抓了以下几件大事：一是实行与民休息的政策。秦朝末年，社会经济已濒于崩溃边缘。再经陈胜、吴广起义以及楚汉战争的长期战乱，到刘邦建立西汉的时候，到处是一片荒凉残破的景象：人口锐减，田地荒芜，生产萎缩，物价飞涨，甚至连皇帝也不能用四匹同色的马来驾车，将相大臣只能乘牛车。如何因势利导，从“打天下”转到“治天下”，是刘邦统一后面临的一个重大问题。一次，儒生陆贾在刘邦面前讲诗书，刘邦就问，我在马上得天下，诗书对我有什么用处？陆贾回答说：你在马上得天下，但能在马上治天下吗？刘邦觉得有道理，于是就叫陆贾著书，总结秦之所以失天下以及古代成败治乱的经验教训。陆贾认为：治天下之道“莫大于无为”，强调实行“无为而治”。起自布衣的汉初君臣，都亲身尝过秦朝暴政的扰民之苦，因此对陆贾的见解表示赞同。陆贾每著一篇，刘邦都连声叫好，群臣高呼万岁。刘邦汲取意见，根据汉初面临的社会经济困难，制定了“无为而治”的统治思想，采取了一系列措施，“与民休息”，减少干预，使老百姓能在比较安定的环境中从事农业生产，发展社会经济，巩固封建统治。主要的有以下几点：
其一、维护和扩大地主阶级所有制，增强封建统治的基础。汉高祖五年（公元前202年）刘邦在“五月诏令”中宣布：有的百姓过去相聚于山泽，没有户籍，现在天下已定，令各归本县，恢复他们的爵位和田宅。诏令中说的“百姓”，多半是受农民起义冲击的地主。恢复他们的爵位和田宅就是恢复他们的政治地位和地主阶级所有制。“五月诏令”还规定，凡跟随刘邦作战的官吏、士卒，爵位在大夫以上者，晋爵一级；爵位在七大夫以下者，免除全家赋役；七大夫以上者，分给食邑，成为可以向所属封户征收赋税的特权地主。大量的获爵士兵，成了新的地主，也就扩大了封建统治的基础。