争夺成皋：五月，刘邦到达荥阳，击败了楚追兵，得以端息，稳住了阵脚，遂重整军队，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，迫章邯自杀，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。项羽加紧围攻荥阳，并夺取成皋。

为了减轻楚军对荣阳的压力，刘邦率军经武关、宛(今河南南阳)、叶(今叶县南)，想引诱项羽南下。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)。项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。六月，项羽以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。

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。

项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武(今荣阳北)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。项羽腹背受敌，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，项羽引兵东归。

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、英布等，垓下一战重创楚军，逼项羽自刎于乌江(今安徽和县境)，终于结束了为期4年的楚汉战争。二月，刘邦称帝，建立汉朝。