当时，彭越带兵驻扎梁地，来来往往地骚扰楚军，断绝它的粮食。田横前往依附彭越。项羽多次攻打彭越等人，齐王韩信又进攻楚军。项羽恐惧，就与汉王约定，平分天下，割鸿沟以西归汉，鸿沟以东归楚。项王送回汉王的父母妻子，汉军高呼万岁，楚军告别汉军回到了驻地。
项羽解兵东归。汉王想要领兵西还，后来采用留侯、陈平的计策，进兵追击项羽，到达阳夏南面收兵驻扎。与齐王韩信、建成侯彭越约定时间会合攻打楚军。到了固陵，韩信、彭越不来会合。楚军出击汉军，大败汉军。汉王又进入营垒，深挖壕沟进行防守。使用了张良的计策，于是韩信、彭越都前来会合。又有刘贾进入楚地，围攻寿春。汉王在固陵战败，就派使者去召大司马周殷，用全部的九江士卒迎接武王黥布，黥布、周殷在进军中攻下城父，大肆屠杀。他们随从刘贾和齐、梁的诸侯大会垓下。汉王封武王黥布为淮南王。
五年，高祖和诸侯军一起攻打楚军，与项羽在垓下决一胜负。淮阴侯率兵30万独当正面，孔将军布兵在左面，费将军布兵在右面，皇帝居后，绛侯、柴将军跟随在皇帝后面。项羽的士兵大约十万。淮阴侯首先会战，没有取胜，向后退却。孔将军、费将军纵兵出击，楚军不利，淮阴侯又乘势反攻，大败项羽于垓下。项羽的士兵听到汉军中的楚歌声，以为汉军全部占领了楚地，项羽就败退逃跑，因此楚兵全军溃败。汉王派骑兵将领灌婴追击项羽，在东城杀了他，斩首八万，于是平定了楚地。鲁县为楚国坚守城池，汉军没有攻下，汉王带领诸侯军北上，把项羽的头给鲁县父老们看，鲁县才投降了。于是就用鲁公的封号在谷城埋葬了项羽。汉王回到定陶，驰入齐王营垒，夺了军队。
正月，诸侯和将相一起请求尊崇汉王为皇帝。汉王说：“我听说皇帝这一尊号，属于有贤德的人，虚言浮语，空有其名，不能占有，我不敢承受皇帝之位。”群臣都说：“大王起于贫寒，诛暴讨逆，平定四海，有功的就割地封王侯。大王不尊崇名号，大家对自己的封号都要疑虑，不敢信以为真。臣等誓死坚持大王尊称皇帝。”汉王再三谦让，迫不得已地说：“大家一定以为这样吉利，是因为有利于国家，我只好做皇帝了。”甲午，在汜水北面即皇帝位。
皇帝说：“义帝没有后代。齐王韩信熟悉楚地风俗，迁徙为楚王，建都下邳。封建成侯彭越为梁王，建都定陶。原来的韩王信仍为韩王，建都阳翟。迁徙衡山王吴芮为长沙王，建都临湘。番君的将领梅鋗立有战功，跟随进入武关，皇帝感谢番君的恩德。准南王黥布、燕王臧荼、赵王张敖都保持旧封。”
于是，天下基本平定。高祖建都洛阳，诸侯都成为高祖的属臣。原来的临江王共驩为了项羽起兵叛汉，命令卢绾、刘贾围攻共驩，没有攻克。几个月后投降了，在洛阳杀了共驩。五月，士卒都解甲回家。诸侯国的士卒留在关中的免除徭役12年，那些回家乡的免除徭役6年，发给粮食供养一年。
高祖在洛阳南宫摆设酒席。高祖说：“各位诸侯和将领不要隐瞒我，都要说心里话。我所以能够得到天下是什么原因？项氏所以失去天下是什么原因？”高起、王陵回答说：“陛下傲慢而侮辱人，项羽仁慈而爱护人。然而陛下派人攻城略地，所招降攻占的地方就封给他，与天下人利益相共。项羽嫉贤妒能，陷害功臣、怀疑贤能，打了胜仗而不论功行赏，取得了土地而不与分利，这就是失去天下的原因。”高祖说：“你们知其一，不知其二。说到那在帷帐中运筹划策、决胜于千里之外，我不如子房。镇守国家，安抚百姓，供给军粮，畅通粮道。我不如萧何。连兵百万，战必胜，攻必克，我不如韩信。这三个人，都是人中俊杰，我能任用他们，这是我所以取得天下的原因。项羽有一个范增却不能任用，这是他所以被我擒杀的原因。”
高祖想长期建都洛阳，齐人刘敬劝阻高祖，等到留侯说服高祖入都关中，当天高祖命驾起身，进入关中建都。六月，大赦天下。
十月，燕王臧荼反叛，攻下代地。高祖亲自统率军队攻打他，擒获燕王臧荼，随即立太尉卢绾为燕王。派丞相樊哙领兵攻代。这年秋天，利几反叛，高祖亲自带兵攻打他，利几逃走了。利几这个人，是项氏的将领。项氏失败时，利几为陈县县令，没有跟随项羽，逃走投降了高祖，高祖封他在颍川为侯。高祖到达洛阳，根据全部通侯名籍遍召通侯，利几也被召。利几很慌惧，因此起兵反叛。
六年，高祖五天朝见一次太公，跪拜如同一般百姓的父子礼节。太公家令劝诫太公说：“天无二日，地无二主，如今高祖虽然是你的儿子，但他是万民的君主；太公虽然是高祖的父亲，但属于臣下。怎么能让君主拜见臣下！这样，就使君主失去了威严和尊贵。”后来高祖朝拜太公，太公抱着扫帚，在门口迎接，倒退着行走。高祖大惊，下车搀扶太公。太公说：“皇帝是万民的君主，怎么能因为我的缘故破坏了天下的法纪！”于是高祖就尊奉太公为太上皇。高祖内心赞美家令的话，赏赐给他黄金五百斤。
十二月，有人上书告发楚王韩信谋反。高祖询问左右大臣，大臣们争着要去攻打韩信。高祖采用陈平的计策，假装巡游云梦泽，在陈县会见诸侯，楚王韩信去迎接，就乘机逮捕了他。这一天，大赦天下。田肯来祝贺。就劝高祖说：“陛下抓到韩信，又建都秦中。秦地是地理形势优越的地方，有阻山带河之险，与诸侯国悬隔千里，持戟武士一百万，秦比其他地方好上一百倍。地势便利，从这里出兵诸侯，犹如高屋建瓴。要说那齐地，东有琅邪、即墨的富饶，南有泰山的险固，西有浊河这一天然界限，北有渤海鱼盐之利，地方二千里，持戟武士一百万，与各诸侯国悬隔千里之外，齐比其他地方好上十倍。所以这两个地方是东秦和西秦。不是陛下的亲子弟，不要派他在齐地做王。”高祖说：“好。”赏赐黄金五百斤。后来十多天，封韩信为淮阴侯，把他的封地分作两个国。高祖说将军刘贾屡建战功，封为荆王，称王淮东。弟弟刘交为楚王，称王准西。儿子刘肥为齐王，封给七十余城，百姓中能讲齐地语言的都归属齐国。高祖论定功劳大小，与列侯剖符为信，封侯食邑。把韩王信迁徙到太原。
七年，匈奴在马邑攻打韩王信，韩王信就与匈奴在太原谋反。白土曼丘臣、王黄立原来的赵国将领赵利为王，反叛汉朝，高祖亲自前往讨伐。正遇上天气寒冷，士卒十人中有两三个都冻掉了手指头，终于到达了平城。匈奴在平城围困高祖，七天之后才撤兵离去。命令樊哙留下来平定代地。立哥哥刘仲为代王。
二月，高祖从平城经过赵地、洛阳，到了长安。长乐宫已经建成，丞相以下迁到新都长安。
八年，高祖率军东进，在东垣攻打韩王信的残余叛贼。萧丞相修筑未央宫，建立东阙、北阙、前殿、武库、太仓。高祖回来，看见宫阙壮丽，非常生气，对萧何说：“天下喧扰不安，苦战数年，成败尚未可知，现在为什么要修建宫室豪华过度呢？”萧何说：“正是因为天下没有安定，所以才乘这个时机建成宫室。况且天子以四海为家，宫室不壮观华丽，就不足以显示天子的尊贵和威严，并且也是为了不让后世的宫室超过。”于是高祖高兴了。高祖去东垣，经过柏人，赵相贯高等谋杀高祖，高祖心动异常，因而没有在柏人停留。代王刘仲弃国逃跑，自己回到洛阳，被废为合阳侯。
九年，赵相贯高等策划谋杀高祖的事，处死了他们的三族。废赵王张敖为宣平侯。是年，把楚国贵族昭氏、屈氏、景氏、怀氏和齐国贵族田氏迁徙到关中。
未央宫建成后，高祖大朝诸侯和群臣，在未央宫前殿摆设酒宴。高祖手捧玉制酒杯，起身给太上皇祝寿，说：“当初大人常常认为我是无以谋生的二流子，料理不了产业，不如仲勤劳。如今我成就的事业与仲相比，谁的多呢？”殿上群臣都高呼万岁，大笑取乐。
十年十月，淮南王黥布、梁王彭越、燕王卢绾、荆王刘贾、楚王刘交、齐王刘肥、长沙王吴芮都来长乐宫朝见。春夏无事。
七月，太上皇崩于栎阳宫，楚王、梁王都来送葬。赦免栎阳的囚犯。郦邑改名新丰。八月，赵相国陈豨反叛。高祖说：“陈曾经做过我的使者，遵守信用。代地是我所看重的地方，因此封陈豨为列侯，以相国名义守卫代地，如今竟和王黄等劫掠代地。代地的官吏和百姓并非有罪。赦免代地的吏民。”九月，高祖亲自攻打陈豨。到达邯郸，高祖高兴地说：“陈豨不南去据守邯郸，而凭借漳水为阵，我知道他没有本事的。”听说陈豨的将领都是过去的商人，高祖说：“我知道该如何对付他们了。”于是就用黄金引诱陈豨的将领，陈豨的将领有很多投降的。
十一年，高祖在邯郸讨伐陈豨等人还没有结束，陈豨的将领侯敞带领一万多人流动作战，王黄驻军曲逆，张春渡过黄河进攻聊城。汉派将军郭蒙与齐国的将领出击，把他们打得大败。太尉周勃从太原进军，平定代地。到了马邑，一时未能攻克，后来就把它攻打得城破人亡。
陈豨的将领赵利防守东垣，高祖攻打东垣，没有攻下。一个多月后，赵利士卒辱骂高祖，高祖非常气愤。东垣投降了，命令交出辱骂高祖的人斩首处死，没有辱骂高祖的就宽恕了他们。于是划出赵国常山以北的地方，封儿子刘恒为代王，建都晋阳。
春天，淮阴侯韩信谋反关中，处死了他的三族。
夏天，梁王彭越谋反，废除他的封号，迁徙蜀地。他又要反叛，于是就处死三族。封儿子刘恢为梁王，儿子刘友为淮阳王。
秋天七月，淮南王黥布反叛，向东兼并了荆王刘贾的土地，北进渡过淮水。楚王刘交跑到薛县。高祖亲自前往讨伐他，封儿子刘长为淮南王。
十二年十月，高祖在会甀已经击败黥布的军队，黥布逃走。高祖命令将领追击他。高祖率军归还，路过沛县，停留下来。在沛宫摆设酒宴，把过去的朋友和父老子弟全部召集来纵情畅饮。挑选沛中儿童，得到了120人，教他们唱歌。酒喝到酣畅，高祖击着筑，自己作了一首诗，唱起来：“大风起兮云飞扬，威加海内兮归故乡，安得猛士兮守四方！”让儿童都跟着学唱。高祖跳起舞，感慨伤怀，泪下数行，对沛县父兄们说：“远游的人思念故乡。我虽然建都关中，千秋万岁后，我的魂魄还是牵绕沛县。我从做沛公开始，诛暴讨逆，终取天下。用沛县作为我的汤沐邑，免除沛县百姓的徭役，世世代代不用服徭役。”沛县父老兄弟、长辈妇女、旧日朋友，天天开怀畅饮，极为欢欣，说旧道故，取笑作乐。过了十多天，高祖想要离去，沛县父老兄弟执意挽留高祖。高祖说：“我的随从人员众多，父兄们供养不起。”于是高祖就动身了。沛县百姓倾城而出，都到城西贡献牛酒。高祖又停留下来，搭起帐篷，饮宴三天。沛县父兄们都叩头请求说：“沛县幸运地得到免除徭役，丰邑还没有获准免除。请陛下哀怜丰邑。”高祖说：“丰邑是我生长的地方，绝不会忘记，我只是因为丰邑以雍齿的缘故反叛我而去帮助魏国，（所以才不免除它的徭役。）”沛县父兄们坚持请求，于是免除了丰邑的徭役，和沛县相同。封沛侯刘濞为吴王。
汉军将领在洮水南北两路追击黥布的军队，都大破黥布军，在鄱阳追获杀死了黥布。樊哙另带一支部队平定代地，在当城杀死了陈豨。
十一月，高祖从征讨黥布的军队中回到长安。十二月，高祖说：“秦始皇帝、楚隐王陈涉、魏安禾卜王、齐缗王、赵悼襄王都绝嗣无后，分别给予十户人家看守坟墓，秦始皇二十家，魏公子无忌五家。”代地官吏和百姓被陈豨、赵利所胁迫的，全部赦免。陈的降将说陈豨反叛时，燕王卢绾派人去陈豨那里参预了阴谋策划。高祖派辟阳侯去接卢绾，卢绾称病不来。辟阳侯回来，详细说明了卢绾反叛已有征兆。二月，派樊哙、周勃率军出击燕王卢绾。赦免燕地官吏和百姓参加反叛的人。封皇子刘建为燕王。
高祖攻打黥布时，被流矢射中，途中得了病。病情严重，吕后请来好医生。医生进去见高祖，高祖询问医生，医生说：“病可以治好。”于是高祖谩骂医生说：“我以一布衣平民，手提三尺剑取得天下，这不是天命吗？命运在天，虽有扁鹊，又有什么用处！”高祖不让医生治病，赏赐黄金50斤，叫他离去。不久吕后问高祖：“陛下百年以后，萧相国如果死了，让谁接替他？”高祖说：“曹参可以。”又问其次，高祖说：“王陵可以。然而王陵稍为憨直，陈平可以帮助他。陈平智慧有余，然而难以独任。周勃稳重厚道，缺少文才，但能安定刘氏天下的一定是周勃，可以让他做太尉。”吕后又问其次，高祖说：“这以后不是你我所能知道的。”卢绾和数千名骑兵停留在边塞等候，希望高祖病好了，自己去向高祖请罪。
四月甲辰，高祖崩于长乐宫。过了四天不发丧。吕后和审食其商量说：“将领们和皇帝同为编户平民，如今北面称臣，为此常怏快不乐。现在事奉年轻的皇帝，（心里会更不高兴，）不全部族灭这些人，天下不会安定。”有人听到这个消息后，告诉了郦将军。郦将军去见审食其，说：“我听说皇帝驾崩，四天不发丧，想要诛杀将领们。如果真是这样，天下就危险了。陈平、灌婴统率十万士卒驻守荥阳，樊哙、周勃统率20万士卒平定燕、代，这时他们听到皇帝驾崩，将领们全都被杀，必定连兵回来向关中进攻。大臣叛乱于内，诸侯造反于外，天下覆灭可以翘足而待了。”审食其进宫把这些话告诉了吕后，于是就在丁未发丧，大赦天下。卢绾听说高祖驾崩，就逃入匈奴。
丙寅，安葬高祖。己巳，立太子为皇帝，来到太上皇庙。群臣都说：“高祖起于细微平民，拨乱反正，平定天下，是汉朝的开国始祖，功劳最高。”上尊号为高皇帝。太子袭号为皇帝，这就是孝惠帝。命令各郡和各国诸侯建立高祖庙，按照每年的时节祭祀。到了孝惠帝五年，孝惠帝思念高祖回沛时的悲乐情景，就把沛宫作为高祖原庙。高祖所教唱歌的儿童120人，都让他们做高祖原庙中演奏音乐的人员，以后有缺额，就立刻补上。
高皇帝八个儿子：长子是庶出的齐悼惠王肥；其次是孝惠帝，吕后所生；再次是戚夫人生的赵隐王如意；再次是代王恒，已立为孝文帝，薄太后所生；再次是梁王恢，吕太后时徙为赵共王；再次是淮阳王友，吕太后时徙为赵幽王；再次是淮南厉王长；再次是燕王建。