耳与韩信率兵进攻取井陉（ｘｉｎｇ，形），攻打赵国，杀了陈余和赵王歇。第二年，封张耳为赵王。
汉王的军队驻扎在荥阳南面，修筑了一条两旁筑墙的甬道，和黄河南岸相连接，以便取用敖仓的粮食。汉王跟项羽互相对峙，持续了一年多。项羽多次侵夺汉甬道，汉军粮食缺乏，项羽于是包围了汉王。汉王请求讲和，条件是把荥阳以西的地方划归汉王。项王不答应。汉王为此而忧虑，就用陈平的计策，给了陈平黄金四万斤，用以离间项羽和范增君巨之间的关系。项羽便对亚父范增产生了怀疑。范增当时是劝项羽务必攻下荥阳，当他遭到项羽猜疑后，非常愤怒，就托辞年老，希望项羽准许他乞身告退回乡为民，结果还没有到彭城就死了。
汉军粮草断绝，就趁夜把二千多名身披铠甲的女子放出东门，楚军从四面追赶围打。这时将军纪信乘坐着汉王的车驾，假扮成汉王的样子诳骗楚军。楚军一起高呼万岁，都到城东去观看，因此汉王才得以带着几十名随从骑兵从城西门出去逃走。出城之前汉王命令御使大夫周苛、魏豹、枞（ｃōｎｇ，聪）公守卫荥阳。那些不能随从汉王出城的将领和士兵，都留在城中，周苛、枞公商量说：“魏豹是已经反叛过的侯国之王，难以和他一起守城。”于是把魏豹杀了。
汉王逃出荥阳进入关中，收集士兵准备再次东进。袁生游说汉王说：“汉与楚在荥阳相持不下好几年，汉军常陷于水利的因境。希望汉王出武关，项羽一定率军南下，那时大王加高壁垒，不出战，让荥阳、成皋一带得以休息。派韩信等去安抚河北赵地，把燕国、齐国连结起来，那时大王再兵进荥阳也不晚。这样，楚军就要多方防备，力量分散，而汉军得到了休整，再跟楚军作战，打败楚军，就确定无疑了。”汉王听从了他的计策，出兵于宛县、叶县之间，与黥布一路行进，一路收集人马。
项羽听说汉王在宛县，果然率军南下。汉王加固壁垒，不跟他交战。这时候，彭越渡过睢水，和项声、薛公在下邳（ｐī，批）交战，彭越大败楚军。于是项羽就率军东进去攻打彭越。汉王同时也就率军北进，驻扎在成皋。项羽打跑了彭越，听说汉王又驻进了成皋，就率军向西，攻下了荥阳，杀死了周苛、枞公、并且俘虏了韩王信，接着包围了成皋。
汉王逃走，只和滕公共乘一车从成皋北面的玉门逃去，往北渡过黄河，驱马跑到夜晚，留宿在修武。他自称是使者，在第二天清晨，冲入张耳，韩信的军营，夺了他们的军权。又派张耳往北到赵地去大量收集兵卒，派韩信东进攻打齐国。汉王取得了韩信的军队，重新振作起来，率军南进临近了黄河，在小修武的南面犒劳部队，想要跟项羽再战，郎中郑忠劝阻汉王，让他加深壕沟，增高壁垒坚守，不要跟楚军作战。汉王听从了他的计谋，派卢绾、刘贾率兵二万人，骑兵数百名，渡过白马津，进入楚地，跟彭越 的军队一起在燕县西面再次打败了楚军， 接着又攻下了梁地的十多座城池。
淮阴侯韩信已受命东进，还没有渡过平原津。这时，汉王却 暗中派郦食其前去游说齐王田广，田广叛楚，与汉和好，共同进攻项羽。韩信见此，本想停止攻齐，蒯（ｋｕǎｉ，快上声）通劝他还是要攻下齐国，于是听了蒯通的主意，袭击并打攻了齐军。齐王用大鼎把郦食其煮死，向东逃到高密。项羽听 说韩信已率河北军攻占了齐国、赵国，将要进攻楚国，就派龙且、周兰前去打韩信。韩信跟他们交战，骑将灌婴出击，大败楚军，杀了龙且。齐王田广奔往彭城。这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。
四年（前203），项羽对海春侯大司马曹咎说：“你们谨慎地守住成皋。如果汉军挑战，千万不要应战，只要别让他们东进就可以了。我在十五天之内一定能平定梁地，回头再跟将军们会合。”便率兵去攻打陈留、外黄、睢阳，都攻下来了。汉军果然多次向楚军挑战，楚军都不出来，汉军派人辱骂他们，接连五六天，曹咎气愤之极，领兵横渡汜水。士兵刚刚渡这一半，汉军出击，大败楚军，缴获了楚国的全部金玉财物。大司马曹咎、长史司马欣都在汜水上自刎了。项羽到达睢阳，听说海春侯被打败，就率军赶回来。汉军这时把钟离眛（mèi，妹）围困在荥阳东面，项羽到来，汉兵已全部跑到深山险阻地带去了。韩信攻下齐国后。派人去对汉王说：“齐国和楚国临界，我的权力太小，如果不立个代理之王，恐怕不能安定齐地。”汉王想去攻打韩信，留侯张良说：“不如趁此机会立他为齐王，让他自己为自己守住齐地。”于是汉王派张良带着王印到齐国封韩信为齐王。
项羽听说龙且的军队被打败，就害怕了，派盱台人武涉去游说韩信反汉。韩信没有同意。
楚汉两军相持很久，胜负未决，年轻人厌倦了长期的行军作战，老弱者由于运送粮饷疲备不堪。汉王和项羽隔着广武涧对话。项羽要跟汉王单独决一雌雄，汉王则一项一项地列举项羽的罪状说：“当初我和你项羽一同受怀王之命，说定了先入关中者在关中为王，你项羽违背了约定，让我在蜀汉为王，这是你的第一条罪状。你项羽假托怀王之命，杀了卿子冠军宋义，而自任上将军，这是你的第二条罪状，你项羽奉命援救了赵国，本应当回报怀王，而你项羽却擅自劫持诸侯的军队入关，这是你的第三条罪状。怀王当初约定入关后不准烧杀掳掠，你却焚毁秦朝宫室，挖了始皇帝坟墓，私自收取秦地的财物，这是你的第四条罪状。你硬是杀掉已经投降的秦王子婴，这是你的第五条罪状。你采用欺诈手段在新安活埋了二十万秦兵，却封赏他们的降将，这是你的第六条罪状。你项羽把各诸侯的将领都封在好地方，却迁移赶走原来的诸侯王田市、赵歇、韩广等，使得他们的臣下为争王位而反叛，这是你的第七条罪状。你项羽把义帝赶出彭成，自己却在那里建都，又侵夺韩王的地盘，把梁、楚之地并在一起据为已有，这是你的第八条罪状。你项羽派人在江南秘密地杀了义帝，这是你的第九条罪状。你为人臣子却谋杀君主，杀害已经投降之人，你为政不公，不守信约，不容于天下，大逆不道，这是你的第十条罪状。如今我率领义兵和诸侯们来讨你这个残害人的罪人，只让那些受过刑的罪犯就可以掉你项羽，又何必劳累我来跟你挑战呢？”项羽十分恼怒，埋伏好的带机关的箭射中了汉王。汉王伤的是胸部，却按着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾！”汉王因受箭伤而病倒了，张良硬是请他起来出去巡行，慰劳部队，以便稳定军心，不让楚军占胜利的威势压过汉军。汉王出去巡视军营，病情加重，立即赶回了成皋。
汉王病愈后，西行入关，来到栎阳，慰问当地父老，摆设酒席，杀了原塞王司马欣，把他的头悬挂在木杆上示众。汉王在栎阳停留了四天，又回到军中，部队驻扎在广武。这时候，关中的军队出关参战的也增多了。
这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。田横前往梁地依附他。项羽多次攻击彭越等人，齐王韩信又进兵攻打楚军，项羽害怕了，就跟汉王约定，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽送回了汉王的家属，汉军官兵都呼喊万岁，然后项羽回营别去。
项羽罢兵回东方了，汉王也想率军回西方。但汉王采用张良、陈平的计策，乘楚军兵疲粮尽，索性就消灭它，于是进兵追赶项羽，到阳夏南面让部队驻扎下来，和齐王韩信，建成侯彭越约定日期会合，共同攻击楚军。汉王到达固陵，韩信、彭越却没有来会合。楚军迎击汉军，把汉军打得大败。汉王又逃回营垒，深挖壕堑固守。又采用张良的计策派使者封给韩信、彭越土地，使他们各自为战，于是韩信、彭越都来会合了。黥布和刘贾进入楚地，围攻寿春，汉王却在固陵打了败仗，于是派人去召大司马周殷，让他出动九江军队击迎会武王黥布，行军途中屠戮了城父（ｆǔ，甫）， 然后随刘贾、齐、梁诸侯的军队在垓下大会师。汉王封武王黥布为淮南王。
五年（前202），高祖和诸侯军共同进攻楚军，与项羽在垓下决战。 淮阴侯韩信率领三十万大军与楚军正面对阵，他的部将孔将军在左边，费将军在右边，汉王领兵随后，绛侯周勃、柴将军跟在汉王的后面，项羽的军队大约有十万。淮阴侯首先跟楚军交锋，不利，向后退却。孔将军、费将军从左右两边纵兵攻上去，楚军不利，淮阴侯乘势再次攻上去，大败楚军于垓下。项羽的士兵听到汉军唱起了楚地的歌，以为汉军已经完全占领了楚地，项羽战败逃走，楚军因此全部崩溃。汉王派骑将灌婴追杀项羽，一直追到东成，杀了八万楚兵，终于攻占平定了楚地。只有鲁县人还为项羽坚守，不肯降服，因为怀王当初封项羽为鲁公。汉王就率领诸侯军北上，把项羽的头给鲁县的父老们看，鲁人这才投降。于是，汉王按照鲁公这一封号的礼仪，把项羽葬在穀城。然后回师定陶，驱马驰入齐王韩信的军营，夺了他的兵权。
正月，诸侯及将相们共同尊请汉王为皇帝。汉王说：“我听说皇帝的尊号，贤能的人才能据有，空言虚语，不是我所要的，我可承担不了皇帝的尊号。”大臣们都说：“大王从平民起事，诛伐暴逆，平定四海，有功的分赏土地封为王侯，如果大王不称皇帝尊号，人们对大王的封赏就都不会相信。我们这班人愿意以死相请求。”
汉王辞让再三，实在推辞不过了，才说：“既然诸位认为这样合适，那我就为了国家的便利吧。”甲午日，汉王在汜水北面登临皇帝之位。
皇帝提到义帝没有后代。因为齐王韩信熟悉楚地的风俗，就改封韩信为楚王，建都下邳。封建成侯彭越为梁王，建都定陶。原韩王信仍旧为韩王，建都阳翟。改封衡山王吴芮为长沙王，建都临湘。番君的部将梅鋗有功劳，曾经随汉军进入武关，所以皇帝感激番君。淮南王黥布、燕王臧荼、赵王张敖封号都不改变。
天下全都平定了，高祖定都在洛阳，诸侯都称臣归从于高祖。原临江王共驩（ｈｕāｎ，欢）为项羽效忠，反叛汉朝，高祖派卢绾、刘贾去包围了他，没有攻下。过了几个月共驩才投降，在洛阳把他杀了。
五月，士兵都遣散回家了。各诸侯子弟留在关中的，免除赋税徭役十二年，回到封国去的免除赋税徭役六年，国家供养他们一年。
高祖在洛阳南宫摆设酒宴。高祖说：“列侯和各位将领，你们不能瞒我，都要说真心话。我之所以能取得天下，是因为什么呢？项羽之所以失去天下，又是因为什么呢？”高起、王陵回答说：“陛下傲慢而且好侮辱别人；项羽仁厚而且爱护别人。可是陛下派人攻打城池夺取土地，所攻下和降服的地方就分封给人们，跟天下人同享利益。而项羽却妒贤嫉能，有功的就忌妒人家，有才能的就怀疑人家，打了胜仗不给人家授功，夺得了土地不给人家好处，这就是他失去天下的原因。”高祖说：“你们只知其一，不知其二。如果说运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我比不上张子房；镇守国家，安抚百姓，供给粮饷，保证运粮道路不被阻断，我比不上萧何；统率百万大军，战则必胜，攻则必取，我比不上韩信。这三个人都是人中的俊杰，我却能够使用他们，这就是我能够取得天下的原因所在。项羽虽然有一位范增却不信用，这就是他被我擒获的原因。”
高祖打算长期定都落阳，齐人刘敬劝说，还有留侯张良也劝说高祖进入关中去定都，高祖当天就起驾入关，到关中去建都。六月，大赦天下。
十月，燕王臧荼造反，攻下了代地。高祖亲自率军前去讨代，禽获了燕王臧荼。当即封太尉卢绾为燕王。派丞相樊哙领兵去攻打代地。
这一年的秋天，利几造反，高祖又新自带兵去讨伐，利几败逃。利几原先是项羽的部将。项羽失败时，利几是陈县县令，没有跟随项羽，逃出归降了高祖。高祖把他封在颖川为侯。高祖到达洛阳后，召见全部在名册的列侯，利几心里害怕，所以就造反了。
六年（前201），高祖每五天朝拜太公一次，按照一般人家父子相见的礼节。 太公的家令劝说太公道：“天上不会有两个太阳，地上不应有两个君主。当今皇帝在家虽然是儿子，在天下却是万民之主，太公您在家虽然是父亲，对皇帝却是臣子。怎么能够叫万民之主拜见他的臣子呢！这样做，皇帝的威严就不能遍行天下了。”后来高祖再去朝见太公，太公就抱着扫帚，面对门口倒退着走。高祖大为吃惊，急忙下车搀扶太公。太公说：“皇帝是万民之主，怎么能因为我而乱了天下的规矩呢！”于是高祖就尊奉太公为太上皇，心里赞赏那个家令的话，赐给他五百斤黄金。
十二月，有人上书报告楚王韩信谋反作乱的事，高祖向左右大臣询问对策，大臣们都争着想去征讨。最后高祖采用了陈平的计策，假装去游览云梦泽，在陈县召见诸侯，楚王韩信来迎接，就趁机拘捕他。当天，大赦天下。田肯来祝贺，趁便劝说高祖道：“陛下抓住了韩信，又在关中建都。秦地是形势险要之地，周围有山河环绕，与关东有千里长的疆界被山河阻隔。如果关东拥有百万军队，那么秦地只需兵力二万就可以抵挡住。秦地地势这样有利，如果对诸侯用兵，就好象从高屋檐角的滴水器往下流水一样，居高临下，势不可挡。还有齐地，东有琅邪（ｙá，牙），即墨的富绕，南有泰山的险固，西有黄河的天险，北有渤海的地利。土地纵横各二千里，与诸侯的疆界被山水阻隔，超过千里，如果诸侯拥有百万军队，那么齐地只需二十万就可以抵挡住。所以说，齐地可以和秦地并称东秦和西秦。如果不是陛下的嫡亲子弟，就没有人可以派去做齐王。”高祖说：“好。”赏给他黄金五百斤。
十多天以后，封韩信为淮阴侯，把他原来的封地分为两个侯国。高祖说，将军刘贾屡次立功，就封他为荆王，统治淮水以东。又封他的弟弟刘交为楚王统治淮水以西。封皇子刘肥为齐王，统辖七十多座城，老百姓凡是能说齐国话的都属于齐国。高祖于是评定功绩，进行封赏，与各列侯剖开刻有封侯字样的符节，一半留在朝廷，一半交给受封者，以做凭证。让韩王信迁徙到太原郡。
七年（前200），匈奴在马邑攻打韩王信，韩王信就与匈奴在太原谋反。 他的部将在白土城的曼丘臣、王黄拥立前赵将赵利为王，也反叛朝廷。高祖亲自率兵前往讨伐。正赶上天气寒冷，士兵们冻掉手指的有十公之二三，于是赶到平城。匈奴军队包围了平城，七天之后才撤围离去。高祖让樊哙留下平定代地。封哥哥刘仲为代王。
二月，高祖从平城出发，经过赵国、洛阳，抵达长安。长安的长乐宫建成了，丞相萧何以下的官员们都迁到长安治事了。
八年，（前199），高祖又率军东进，在东垣一带追击韩王信的残余反寇。
丞相萧相何主持营建未央宫，未央宫建东阙、北阙、前殿、武库、太仓。高祖回来，看到宫殿非常壮观，很生气，对萧�