正当项羽在钜鹿(今河北省平乡县)消灭秦军主力的时候，刘邦率领的西进起义军也顺利地取得进展。汉王元年(公元前206年)十月，刘邦的军队打进关中，占领了秦朝都城咸阳。刘邦是个很有政治眼光的人，知道当时的人民希望什么，厌恶什么。为了收买人心，他很注意管束部下，安抚百姓。他下令封闭了咸阳的宫门、府库，严格禁止部下取用宫室里的珍珠宝贝。他驻军咸阳城外，召集关中父老，对他的部下约法三章：杀人的处以死刑，伤人的和偷盗的要按照情节轻重给以处罚。他还宣布废除秦朝的一切严刑苛法。刘邦的这些措施，受到关中人民的热烈欢迎。一个月以后，项羽的大军来到函谷关(今河南省灵宝县西南)。他见刘邦得到楚怀王的支持，要作关中王，十分生气，亲自指挥40万大军破关而入，把军队驻扎在鸿门(今陕西省临潼县东)。从此，刘、项的矛盾尖锐起来了。
这时候，刘邦只有10万人。项羽仗着兵多将广，打算消灭刘邦，独占关中。刘邦想要抵抗，又怕打不过项羽，只好采纳张良的建议，亲自去向项羽谢罪。项羽在鸿门设宴招待刘邦。在宴会上，项羽的谋士范增示意项羽杀掉刘邦，项羽迟疑不决，刘邦便借故逃脱了。这就是历史上有名的“鸿门宴”。
几天以后，项羽领兵进入咸阳，杀了秦王子婴，搜罗了无数奇珍异宝，虏掠着大批妇女，放火烧掉秦朝的宫殿，然后回兵东去。人民对项羽的这些做法大失所望。项羽分封许多拥兵割据的六国旧贵族为王；封刘邦为汉王，让刘邦从关中地区迁到汉中和巴蜀。项羽自称西楚霸王，地位最高，实际上要指挥一切诸侯王。项羽的分封，违反了当时人民渴望统一的愿望，非常不得人心。因此，刚分封不久，战争就打了起来。齐的旧贵族田荣自称齐王，项羽亲自领兵到齐(今山东省)去攻打田荣，刘邦便趁机重新占领关中，楚、汉战争的序幕拉开了。公元前205年四月，刘邦联络诸侯军56万，挥兵东进，占领了楚都彭城(今江苏省徐州市)。