重整军队，依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。六月，刘邦派兵攻废丘，迫邯自杀，解除了后顾之忧；派人说服英布反楚，联络彭越扰楚后方；派韩信开辟北方战场，攻魏俘魏王豹，破代，灭赵杀陈余。三年冬，项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃出荥阳。项籍加紧围攻荥阳，并夺取成皋。
为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛（今河南南阳）、叶（今叶县南），想引诱项籍南下。为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳（今江苏邳县南）。项籍被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。六月，项籍以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。
霸王别姬刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻雎阳（今河南商丘南）、外黄等地，再次迫使项羽回救。四年十月，刘邦用计再次收复成皋。
项籍在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武（今荥阳北）与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项籍腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。九月，项籍引兵东归。
楚、汉订盟后，刘邦本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。五年十月，两军战于固陵（今淮阳西北），项羽小胜。刘邦以封赏笼络韩信、彭越、黥布等，垓下一战重创楚军，逼项籍自刎于乌江（今安徽省和县境），终于结束了为期四年的楚汉战争。
在公元前202年的正月，刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为越王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就按你们说的办吧。”
公元前202年二月初三，刘邦在山东定陶汜水之阳举行登极大典，定国号为汉。
公元前208年三月初三，东周王室向刘邦缴械，定北地称王，刘邦顺势迁都东胜神洲，从此两洲一统，人族安定。
时刘邦死后，又经“文景之治”，汉朝国力
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