劉邦有一次奉命押解犯人到驪山，途中有不少人逃脫，因為當時讓犯人逃脫是重如死罪，所以劉邦索性放走所有人，這些人也成為後來起義的部分勢力。劉邦因此必須逃亡，當時逃犯中就有十餘人願意跟隨他一同逃亡，傳說劉邦“斬白蛇起義”，之後入碭山。
秦始皇常說“東南有天子氣，於是東遊以厭之。”劉邦自疑，隱於芒、碭山澤岩石之間。折疊沛縣起兵陳勝起兵，沛令恐，欲響應陳勝，蕭何、曹參等勸沛令召回劉邦。沛令答應，於是派樊噲往召劉邦。劉邦至沛，而沛令反悔，於是劉邦率約百人於沛縣城外射信說服城內人誅殺縣令，被立為沛縣令，發縣中約3千子弟響應起義，攻占沛縣等地。劉邦起事後，兵力達到二三千人，攻胡陵、方與，還守豐。
秦泗水監平將兵圍豐，為劉邦軍所破。接著劉邦命雍齒守豐，親率軍攻薛，泗水守壯戰敗逃到戚，不久為沛公左司馬所殺。劉邦還軍亢父。至方與，周市來攻方與，雍齒據豐降魏。劉邦攻豐，不能下。時東陽寧君、秦嘉在留立景駒為王，劉邦欲往投並借兵還攻豐，道遇張良。
章邯彆將司馬尼北定楚地，屠相，至碭。東陽寧君與沛公率軍西迎擊，與戰蕭西，不利，還聚兵於留，再攻碭，三日乃取，得兵五六千人。接著攻下邑，拔之，還軍豐。時項梁在薛，劉邦率騎縱騎百餘往從，項梁益劉邦卒5000人、五大夫將十人，劉邦反攻豐，拔之。
不久項梁把在外諸將召還在薛，在得知陳王確實已死的迅息後立楚懷王。項梁彆號武信君，命項羽、劉邦彆攻城陽。項羽、劉邦攻下城陽，然後又在濮陽之東與秦軍戰，破之。秦軍再次聚結，守濮陽、環水，楚軍離開去攻定陶，未下，即西略地至雍丘，與秦軍戰，大破之，沛公將曹參殺丞相李斯之子秦將李由。項羽、沛公還師攻外黃，未下。九月，項羽、劉邦攻陳留時，聞章邯破項梁軍而項梁戰死，劉、項還師。
呂臣軍駐彭城東，項羽軍駐彭城西，沛公軍駐碭。秦二世二年閏九月，楚懷王徙都彭城，並收項羽、呂臣等諸軍自將之。以沛公劉邦為碭郡長封武安侯，將碭郡軍。項羽為長安侯，魯公。呂臣為司徒，其父呂清為令尹。時秦軍圍趙甚急，趙數向楚請求救兵。楚懷王以宋義為上將軍，項羽為次將，範增為末將，北上救趙。
而沛公率軍西攻秦。當時秦軍強，常乘勝逐北，諸將都認為西入關攻秦沒有好處，都不願去，隻有項羽因為叔父之死，願意隨沛公入關攻秦。
入關滅秦
秦二世二年十月（前208年十月），劉邦率軍西征，收項梁、陳勝散卒，經碭，至成陽，與杠裡秦軍夾壁，破魏二軍。接著在成武南攻王離軍及東郡尉，大破之。隨後楚軍引兵西，在昌邑遇彭越，與彭越軍合攻昌邑，未下。十二月，還至栗，遇剛武侯，奪其軍約四千餘人。
與魏將皇欣、魏申徒武蒲之軍並攻昌邑，未下，繞過至高陽。秦二世三年二月，在高陽，酈食其投奔劉邦，其弟酈商亦將兵跟隨。用酈食其策，攻陳陳留，破秦軍，得粟。三月，攻開封，未下。引兵西至白馬與秦將楊熊戰，破之，又追至曲遇東，大破之，楊熊逃至滎陽為秦二世派使者斬殺。四月，南攻穎陽，屠之。
因張良遂略韓地轘轅。當是時，趙彆將司馬卬方欲渡河入關，沛公乃北攻平陰，絕河津。南，戰雒陽東，軍不利，還至陽城，收軍中馬騎。六月，與南陽守齮戰犨東，破之，略地至南陽。南陽守齮走，保城守宛。七月，劉邦不再攻宛，直接率軍西去，張良及時勸阻，劉邦回師攻宛。
南陽守接受舍人陳恢的建議，降，劉邦封南陽守為殷侯，陳恢千戶，引兵西，無不下者，至丹水。高武侯鰓、襄侯王陵降西陵，亦歸劉邦，並還攻胡陽。遇番君（吳芮）彆將梅鋗，與其一起攻下析、酈等地。是月，章邯降項羽。八月，劉邦用張良計，以酈生、陸賈往說武關秦守將，襲攻武關，破之。九月，進至藍田，與秦軍大戰，再破秦軍。
用張良之策，其餘之地皆不戰而降。十月，劉邦軍進駐霸上，秦王子嬰向劉邦投降。秦朝滅亡。漢元年十月（前207年十月），秦王子嬰於軹道向劉邦投降，秦朝滅亡。史家一般以此月為漢元年開始。分封漢王劉邦接著劉邦入鹹陽，欲止舍秦宮中，為樊噲、張良所諫阻。於是劉邦乃下令封秦宮庫，還軍霸上，而蕭何等則收秦之圖籍等而還。劉邦召秦地諸縣父老豪傑，對他們說：“父老苦秦苛法久矣”，然後與他們約法三章，悉去秦之苛法，並令吏人仍守舊職。
同時也拒絕了秦人犒勞。劉邦此舉，大得秦人之心，唯恐劉邦將來不為秦王。有人告訴劉邦說：“秦富十倍天下，地形強。今聞章邯降項羽，項羽乃號為雍王，王關中。今則來，沛公恐不得有此。可急使兵守函穀關，勿納諸侯。”劉邦采納命人守函穀關。十一月中旬，項羽率諸侯聯軍進至函穀關，聞劉邦已定關中並派人守住了關口，大怒，下令黥布等攻破函穀關，十二月，至戲（今陝西西安），欲攻劉邦。
而劉邦軍的左司馬曹無傷派人向項羽告密，項羽更怒。而項伯因與張良有舊，往劉邦軍欲攜張良離去，張良因項伯求項羽罷兵。因此發生了鴻門宴故事。鴻門宴中，項羽未聽從亞父範增之計，使得劉邦逃過一劫。（有名的俗諺“項莊舞劍，意在沛公”即出於此。）
楚漢之爭
項羽進入鹹陽，楚漢之爭-高祖雄風殺子嬰，劫掠財寶，火燒阿房宮（根據考查，應為鹹陽宮），自稱西楚霸王，儼然天下共主，分封群臣。項羽為了困住劉邦，將劉邦分封到巴蜀漢中一帶為漢王，而卻將懷王先前許諾的關中之地封給三個秦朝降將（史稱三秦）。項羽立楚王為天子，但不久命人將其殺死，以報楚王不遣他入關的仇怨。
項羽刺殺楚王，加上分封無法服眾，各國起兵叛變，劉邦趁項羽出外平亂暗渡陳倉出兵關中，甚至一度攻占項羽的根據地彭城。經過楚漢之間長期的拉鋸戰，在蕭何、張良、韓信等的協助下，劉邦所率領的漢軍逐漸坐大。楚漢兩國協議以鴻溝為界，鴻溝以西為漢，以東為楚，互不侵犯。
但是，當項羽遵守諾言退兵，並放回曾被扣為人質的劉邦的父母妻子之後，劉邦卻背信偷襲。項羽退到垓下，劉邦用四麵楚歌之計瓦解楚軍軍心，最後項羽走投無路，自覺無顏見江東父老，隻好自刎於烏江邊。這場曆時近五年〔高帝元年（公元前206年）四月至五年（公元前203年）十二月〕的楚漢戰爭，終以劉邦一統天下，項羽徹底敗亡而自殺而告結束。公元前202年初（漢五年十二月），項羽敗亡。折疊登基稱帝高帝五年（公元前202年）正月，追尊長兄劉伯為武哀侯，以楚義帝無後，徙齊王韓信為楚王，王楚地。魏相國彭越定梁地，拜為梁王。諸侯及將相們共同尊請漢王劉邦為帝。