汉王刘邦还定三秦，不过是实现他东向争夺天下的第一个战略目标。三秦平定后，汉王抓紧时间安定关中，把关中作为他同项羽争夺天下的可靠后方，将关中建设成为击败项羽的坚固根据地。为此，汉王刘邦、丞相萧何做了大量的工作。
汉王二年（公元前205年）十月（汉王也是以十月为岁首），项王秘密派九江王黥布、衡山王吴芮、临江王共敖击杀义帝，将义帝杀死于大江之中。
陈余征发所属三县兵力，借齐兵合力袭击常山王，常山王张耳败走，在废丘城下拜见汉王，汉王给他以优厚的待遇。陈余将赵王从代地迎回，复立为赵王；赵王为感谢陈余的恩德，立陈余为代王。陈余没有前往代地，留下来任赵王承相。
张良逃离彭城后回到韩地，又从韩地抄小路回到汉王那里。汉王再次见到张良，十分高兴，封他为成信侯。张良体弱多病，未曾单独领兵作战。作为谋士，时时随从汉王，为汉王运筹帷幄之中，事实上是汉王的军师。
汉王二年年初的形势是，由于还定三秦和四出略地在军事上所取得的一系列胜利，塞王司马欣、翟王董翳、河南王申阳皆已降汉；韩王郑昌不听从汉王，汉王派韩信率兵击溃他的部队。于是，在攻占的土地上重新设置了隶属于汉王的陇西郡、北地郡、上郡、渭南郡、河上郡、中地郡以及在函谷关外设置的河南郡。更立韩太尉韩信为韩王，是为韩王信。汉王发布命令：各诸侯王的部将凡率众一万人或献地一郡前来投降的，封为万户侯。下令修筑河上郡的要塞，原秦朝的苑囿园池，听任无地或少地的百姓耕种，恢复生产，长养人民。
同年正月，俘虏雍王章邯的弟弟章平，发布大赦罪人的大赦令。
汉王刘邦出函谷关到达陕县（今河南三门峡市西），慰问关外的父老，安定秩序，争取民心。
同年二月，下令废除代表秦王朝国家的秦社稷。社与稷，分别是古代君主祭祀土神和谷神的场所，常用来作为国家的代称。刘邦入关中以及还定三秦后的一段时间，不仅秦帝国的社稷被暂时保存下来，而且秦王朝的地方政权及其官员也暂时被保存下来，照常履行公务，隶属于汉王。这种权宜之计，对于安定秩序无疑是很有必要的。当关中及邻近各郡已被汉军平定，汉王在这一地区站稳脚跟时，汉王便不失时机地下令“除秦社稷，更立汉社稷。”都于栎阳（今陕西临潼北）。
“除秦社稷，更立汉社稷”，它标志着汉王的中央政权及地方政权，在陇西、北地、上郡、渭南、河上、中地以及河南等七郡已经正式建立起来。汉王刘邦正是凭借着汉政权的力量，东向同项羽展开了争夺全国政权的军事斗争。
在汉政权的建设中，丞相萧何无疑是做出了巨大的贡献。
同年三月，汉王刘邦率大军从临晋东渡黄河。临晋是关隘名，在今陕西大荔县东的黄河西岸，因关下有蒲津渡，又称蒲津关，是古代秦晋间的重要通道。汉王这次率大军东渡黄河，并非是执行一般的作战任务，而是他在安定关中、正式建立汉政权的基础上，为实现东向与项羽争夺天下这一重大战略目标，所采取的第一步战略行动。
汉王率大军决定从临晋渡过黄河，是因为齐、赵、魏的反楚势力，此刻正在与项羽进行军事上的较量。显然，汉王是想在临晋东渡黄河之后，通过上党进入河北及河南地区，联合河北及河南各路反楚军事力量，向项羽发起总攻击。汉王这一进军路线的选择和战略决策的制定，无疑是十分正确的。因此，汉军在临晋东渡黄河之后，旗开得胜，势如破竹，各路诸侯的联合反楚力量得到了迅速的发展，一举而攻下楚都彭城。
汉王二年三月刘邦率大军于临晋东渡黄河之日，标志着历时四年的楚汉战争已正式拉开帷幕。
在历时四年的楚汉战争中，汉王刘邦依赖于部下的文臣武将和士卒们的浴血奋战，终于由弱转强。其中，萧何、张良、韩信三人的辅佐起了至关重要的作用，因而被刘邦称为“三杰”。
诚然，刘邦称萧信、张良、韩信三人为“人杰”，是在消灭项羽之后，根据他们在楚汉战争中的杰出表现，这是楚汉战争获得胜利的后话，现提前介绍如下：
汉高帝五年（公元前203年）五月，高帝在洛阳南宫设盛大酒会，招待文臣武将，庆祝楚汉战争的最后胜利。会上，刘邦踌躇满志，向群臣说道：“各位列侯、将军，请诸位对我不必有所隐讳，都说一说心里的话。我之所以能得到天下是什么缘故？项羽所以失去天下又是什么缘故？”
只见王陵起身答对说：“项羽性情傲慢，喜欢侮辱他人；陛下性情仁慈宽厚，注意爱护他人。然而陛下派人攻城略地，攻下的城邑便分封给他们，与大家同享利益；项羽妒贤嫉能，有功劳的人予以伤害，有贤能的人加以怀疑，作战获胜而不论功行赏，夺得土地而不与大家共享利益，这就是项羽之所以失去天下的缘故。”
王陵“少文任气，好直言”，他所说的是人所共知的事实，未能尽合刘邦之意。于是，刘邦乘着酒兴，趁着王陵所言，发表了一通高论。现将《史记·高祖本纪》所载原句，照录如下：
公知其一，未知其二。夫运筹帷帐之中，决胜于千里之外，吾不如子房；镇国家，抚百姓，给馈饷，不绝粮道，吾不如萧何；连百万之军，战必胜，攻必取，吾不如韩信。此三者，皆人杰也，吾能用之，此吾所以取天下也。项羽有一范增而不能用，此所以为我擒也。
张良、萧何、韩信在楚汉战争关键时刻的突出贡献表明，汉高帝的这段高论确实不失为千古名言。
汉王率大军于临晋东渡黄河之后，魏王魏豹率部下向汉王投降。魏豹是魏国王族的后裔，其兄魏咎被陈胜立为魏王，因兵败于秦将章邯而自杀。魏豹再起为魏王。项羽分封诸侯时想占有魏国土地，将魏豹迁为西魏王。魏豹对此不满，故汉王东征大军至此，他背叛项羽，率部队投降汉王，随同汉王一道东征。接着，东征军又攻下河内郡（治所在今河南武陟县西南，河内泛指今黄河以北地区），俘虏殷王司马卯，设置汉政权属下的河内郡。
此时，项王属下的都尉陈平因惧怕项王诛杀而投奔汉王刘邦。陈平后来继萧相国、曹相国之后，与王陵同为汉帝国的左、右丞相，这里对他的身世简介如下。
陈平是阳武（今河南原阳县东南）户牖乡（今河南兰考县东北）人，少年时家贫，好读书。长大后身材魁梧，仪表堂堂，但不肯从事产业。闾里祭祀社神时，请陈平主持分配祭肉，他把祭肉分得很均匀。父老们称赞他说：“太好了，陈家这小子分得真均匀！”陈平感叹地说：“唉，如果让我陈平管理天下，我也一定能像分祭肉这样公平。”
陈胜起义后，立魏咎为魏王。此前，陈平曾事奉过魏咎，这时被魏咎任命为太仆。陈平向魏咎献计，魏咎不听，又有人诽谤他，陈平因此而逃离魏王。
项羽略地到达黄河边上，陈平投奔项羽，并随从项羽入关，被赐予卿一级的爵位。项羽东归彭城称王，汉王还定三秦而后东进，殷王反对楚国，项羽封陈平为武信君，率魏咎留在楚国的部下，击败投降汉王的殷王而回。项羽派项悍任命陈平为都尉，赐黄金20镒。不久，汉王攻占殷地，项羽大怒，想要杀掉前次平定殷地的将领。陈平因害怕被杀而派人将官印送还项羽，只身抄小路逃走。渡过黄河时，船夫怀疑他身上藏有金玉宝器，不时地注视他，想把他杀死在江上。陈平机智地解开衣服，袒露上身，协助船夫撑船。船夫见陈平一无所有，便没有向他动手。
陈平到达修武（今河南获嘉县）投降汉王，汉王召见他，赐予酒食。饭后，汉王对客人说：“饭已用过，到馆舍休息去吧。”
“我为要事而来，所谈的事不可挨过今日。”陈平说。
于是，汉王将陈平留下，同他交谈，谈后很喜欢陈平，因而向陈平问道：“您在楚担任什么官职？”
“担任都尉。”
当日，汉王任命陈平为都尉，为汉王参乘，成了汉王的卫士长，又主管监督和协调各将领，众将领为此而哗然，说道：“大王当天得到一个楚国的逃亡士卒，不知他的本事高下，便让他陪乘大王，反而使令他监督我们这些老将！”
汉王闻知有些老将对重用陈平不服，反而对陈平更加亲近，带他一同东进讨伐项王。
汉王南下从平阴津（古渡口名，在今河南孟津东北）渡过黄河，到达洛阳。行军途中，新城（今河南伊川县西南）某乡的一位姓董的“三老”，人称董公，他在路旁拦住汉王的马头，向汉王诉说项王杀害义帝的经过，并说道：
“我听说‘顺德者昌，逆德者亡’；‘兵出无名，事故不成’，所以说：‘明其为贼，敌乃可服。’如今项羽行为无道，放逐并杀害他的君主，是天下的乱臣贼子。己有仁，则天下归之，可不用勇而天下自然归服；己有义，则天下奉之，可不用力而天下自定。大王应下令三军将士为义帝身穿孝服，遍告天下诸侯，举兵共同伐楚。如此，则四海之内没有不仰望你的大德，这就是汤、文、武三王当年所奉行的取天下之道。”
汉王认为董公讲得很对，袒臂大哭，下令全军为义帝发丧，为义帝举哀三日，分派使者通告各路诸侯：
“天下共同拥立义帝，都甘愿向他北面称臣。如今项羽放逐义帝，指使九江王黥布、衡山王吴芮，临江王共敖把义帝杀死于东南，这是大逆不道。寡人亲自为义帝发丧，诸侯也应身穿孝服。我将调动关中全部兵马，征集河南、河东、河内三郡的士兵，沿长江、汉水南下，愿随同诸侯去江南讨伐楚国杀害义帝的那些人。”
汉王派出的使者到达赵国，赵相陈余对使者说：“汉杀死张耳，方能发兵随从伐楚。”于是，汉王寻找一个相貌同张耳类似的人，斩首后将人头送给陈余，陈余派兵助汉伐楚。
此时，项王正在北击齐国，与田荣交战于城阳，田荣兵败，逃至平原（今山东平原县南），被平原百姓杀死。三齐全部向楚军投降。项羽乘胜焚烧齐地的城郭，虏走齐地的子女。齐人因楚军的暴行而叛楚，田荣的弟弟田横立田荣的儿子田广为齐王，齐王田广于城阳（今山东鄄城县境）起兵反楚。
项羽因田广起兵反楚，率兵攻城阳，未能攻下，此时，项羽已得知汉王率兵东进，然而既然已与齐兵交战，想要击溃齐兵之后再攻击汉军，而这时汉王已率领常山王张耳、河南王申阳、韩王郑昌、魏王魏豹、殷王司马印等五路诸侯共56万大军，向楚都彭城进发。到达外黄（今河南民权县西北），彭越又率3万余士兵归属汉王。汉王对彭越说：“彭将军收复魏地10余座城池，想急于立魏国的后代为王。今西魏王魏豹，确实是魏国王室的后代。”于是任命彭越为魏王的相国，率领其部下的士兵攻占魏国的故地。
同年四月，在彭城空虚的情况下，汉王所统率的五路诸侯共60万大军攻入彭城。汉王从未统率过这么庞大的军队，也从未取得这么令他高兴的重大胜利。在彭城，汉王没收了项王的珠宝、美人，与五路诸侯整日大摆宴会，饮酒作乐，沉浸在胜利后的狂喜之中。
当时项羽率主力军正在东部与齐国的军队作战，后方彭城一带很空虚。当他听到刘邦率大军东进的消息，思想上轻敌麻痹，认为刘邦一时攻不到彭城，想速战速决击败齐国后，再回击刘邦。可是由于他在齐国的残暴政策，引起齐国人民的坚决反抗，在城阳久攻田横不下，结果刘邦乘虚一举攻占了彭城。
刘邦占领彭城后，为自己取得的巨大胜利而陶醉。他没有想到，攻占彭城并没有消灭项羽的主力，对项羽在齐国的力量失去了警惕。各路诸侯纷纷在彭城抢掠财宝和美女，将领们也整天饮酒宴会，庆祝自己的胜利。他们被已经取得的胜利冲昏了头脑，认为占领了彭城就等于击败项羽，根本没有再把身在齐国的项羽放在眼里。
可是项羽的头脑还是清醒的。当他在齐国的前线听到刘邦攻占彭城的消息后，并没有惊惶失措。他让部将继续围攻困守城阳的齐军，自己亲率三万精兵，经鲁县（今山东曲阜市）、胡陵至萧县（今安徽萧县），切断刘邦军的西退之路，然后趁刘邦军队的松懈无备，突然发动进攻，刘邦军大败。
刘邦攻占彭城之后，他的主要谋士除萧何留守关中外，张良、韩信、陈平等人都跟随他到了彭城。他们为什么没有像刘邦进入咸阳时那样，劝他约束士兵的纪律，提高对敌人的警惕，避免将士的抢掠和腐败呢？也可能他们劝说了，未引起刘邦的重视；也可能是刘邦虽然重视并进行了努力，但却无效果。
因为这近六十万大军，是临时拼凑起来的。五诸侯虽然都带兵参加了刘邦攻占彭城的战斗，但他们都是被迫参加的。他们投降刘邦，本来就是被迫的，参加彭城之战，当然更不是他们的心愿了。可是迫于刘邦的威力，他们毕竟参加了攻占彭城的战斗，而且想象不到仗又打得这么顺利，很快就攻占了彭城。他们当然要趁机捞一把，刘邦想要约束他们，当然也就无能为力了。
可是话又说回来，刘邦虽然约束不了五诸侯的兵，但他起码还能管住自己的的军队，在攻占彭城之后，将他们驻扎在彭城外围的一些军事要地，以阻击项羽的军队。刘邦连这一点也没有做到，说明他和其主要的部下，也被胜利冲昏了头脑，对项羽失去了起码应有的警惕，所以才导致一场惨败！
项羽的军队到了萧县，看到刘邦并不知道，因为他没有相应地采取防范措施。
项羽率军一早从萧县出发，虽然受到刘邦军队的一些零星阻击，但中午就到达了彭城。刘邦率诸侯军仓促应战，这支军队虽然比项羽的军队多近二十倍，但都是些乌合之众，身上又都带着不少劫掠的财宝，当然敌不过项羽的这支精兵。所以一接触，刘邦军就大败，溃不成军。
刘邦的军队在一片混乱的情况下，匆忙从彭城撤退，因为号令不一，大家争相逃命，在抢渡彭城附近的谷水和泗水时，被项羽军拦击，死亡十万多人。刘邦的军队再向彭城南部的山区撤退，项羽的军队追到灵壁（今安徽宿县西北）东的睢水上，趁刘邦军仓促渡河时加以阻击，刘邦军队又大乱，互相在水中踩死挤死者不计其数，有十余万具尸体把睢水堵塞，河水为之不流。
项羽把刘邦围困在睢水旁。刘邦的残兵败将，士气十分低落，没有斗志，人人只顾逃命，处境十分危险。这时突然刮起一阵西北狂风，飞沙走石，天昏地暗，拔树倒屋，伸手不见五指，围困刘邦的项羽军一阵混乱，刘邦趁机带领数十骑突围而出，向北逃到自己的家乡沛县。
刘邦率军西征的时候，他的父亲、妻子和儿女一直留在沛县老家。刘邦暗渡陈仓，占领关中后，曾派部下薛欧和王吸出武关，想让他们去沛县迎接自己的亲属。项羽得知后，派兵在阳夏（今河南太康县）阻击，薛欧和王吸未能到达沛县。
刘邦在彭城战败逃出后，想顺便路过沛县，和家人一起西逃。可是他家里人听到刘邦在彭城战败的消息，早已逃离家乡，刘邦未能找到。事有凑巧，刘邦在家乡未能找到自己的亲属，却在逃亡的路上正好碰到逃出家乡的儿子刘盈和女儿鲁元，刘邦喜出望外，就让他们上车与自己一起逃亡。
这时项羽的骑兵发现了刘邦逃跑的踪迹，就在后边穷追不舍。刘邦座车的马已经跑得很疲乏，眼看后边的敌人就要追上，刘邦急了，就把儿子和女儿推下车，想减轻车的重量，好让自己一人逃脱追兵。
给刘邦驾车的是他的同乡夏侯婴，他不忍抛下这两个孩子不管，就下车又把他们抱上来。刘邦更急了，怕追兵赶上，想再次将小孩推下车。夏侯婴一面赶车，一面用手紧抱着这两个小孩，一面责怪刘邦说：“现在虽然很危急，敌人未必能追上，为什么要推他们下车而不管？”刘邦这时只顾自己逃命，根本不考虑这两个亲生骨肉的安危，见夏侯婴护着这两个孩子不让推，几次拔剑要杀夏侯婴，都被夏侯婴巧妙地躲过，才没有受伤。
后边追赶刘邦的项羽部将是丁固和赖髓，由于刘邦的车重马乏跑不快，很快就追上了刘邦。刘邦和夏侯婴下车与他们短兵相接，交手恶战。刘邦渐渐敌不过丁固，就对丁固说：“你我都是好样的，为什么要互相厮杀，非要分出胜负来呢？”丁固听了，认为刘邦很看得起自己，不忍心再追杀刘邦，就引兵而去，刘邦因而得以脱险。这样，夏侯婴终于救出了刘邦的两个孩子，并与刘邦一起逃脱了项羽的追兵，总算保住了性命。
刘邦为什么忍心抛弃自己的亲生子女，只身逃亡呢？这除了刘邦自己的贪生怕死，不顾亲生子女的死活，而只求自己活命外，与他对这两个子女并无多少感情也有关系。刘邦一直在外面进行政治活动，两个子女在家里随母亲生活，刘邦偶尔才回家看一看，所以父亲和子女间的感情较淡薄。后来刘邦不喜欢刘盈，几次要废刘盈的太子地位，而立赵王如意，都和父子间的这种感情有关。刘邦还曾要杀害女婿赵王张敖，也和父女的感情相关。所以他在危难之时，想抛弃子女而自己活命，也就不足为怪了。
夏侯婴因为救刘邦的子女有功，后来很得吕后的信任。她赐给夏侯婴一处豪华的住宅，位于皇宫北面的第一家，说“这样才靠得近”。
刘邦离开沛县西征时，留自己的朋友謇食其在家乡照顾父亲和妻子儿女。刘邦在彭城战败，謇食其怕项羽的军队报复，带着刘邦的家属外出逃亡时，因为兵荒马乱，与刘盈和鲁元失散。刘盈和鲁元碰上刘邦，虽然几被抛弃，在夏侯婴的帮助下，总算逃出了虎口；而謇食其带着刘邦的父亲和妻子，本想走小道去找刘邦的军队，结果不巧，反而遇上项羽的军队，成为项羽的俘虏。项羽把他们作为人质放在军中，准备以后作为和刘邦讨价还价的砝码。
刘邦在彭城战败后，原来临时组织起来的反项羽联盟很快瓦解了，一些投降和归附了刘邦的诸侯王，这时纷纷背判刘邦，投降了项羽。塞王司马欣和翟王董翳，离开刘邦跑到项羽那里，殷王司马印战死，齐、赵、燕等国也抛弃刘邦，与项羽结为盟友。刘邦这时处境困难，十分孤立。
在彭城之战中，从战术上来说，双方都十分轻敌麻痹，所以刘邦攻占彭城很容易，项羽击败刘邦收复彭城也没有费劲。彭城是项羽的都城，是他的根据地，项羽去击齐，怎么也得留重兵把守彭城，免得后方被敌所扰，这是兵家的常识，项羽不会不知道。但他却一反常规，倾全力去击齐，结果彭城空虚，让刘邦钻了空子，一下子就占领了彭城，这恐怕是刘邦和项羽都没有想到的。
刘邦占领彭城后，从刘邦的军事斗争经验看，他不应该忽视远在齐国的项羽主力，应有所防备，有所警惕。可是刘邦也一反常态，完全沉溺在胜利的欢乐中，而未对项羽采取起码的防范措施。结果项羽以少量的兵力，就连败刘邦的几十万大军，刘邦几乎成了项羽的俘虏。这恐怕也是刘邦和项羽未能预料到的事。
作为已经披坚执锐数年，取得了丰富战斗经验的项羽和刘邦来说，为什么都在战术上犯了这样常识性的错误呢？这可能都与他们过分轻视对方的力量有关。项羽根本不把刘邦看成是自己的对手，所以他敢集中全力击齐，而认为刘邦不会乘虚攻占彭城。刘邦率领数十万大军，不费力就攻占了彭城，他也不再把身在齐国的项羽放在眼里，所以并未设防，因为他认为项羽绝不敢回击彭城。由于他们对敌方的估计都错误了，所以都采取了错误的战术，结果都受到了惩罚。
彭城之战是刘邦和项羽之间第一次大规模的军事交锋，项羽先败后胜，刘邦先胜后败。双方经过这一次交锋，才直接认识到对方的力量，从此都把对方看成是自己的主要敌手，双方全面展开了争天下的斗争。失败的教训，使他们在战术上都变得谨慎，不敢再轻视对方，因而战斗也更加持久和残酷了。
彭城之战是在项羽的腹地进行的，对项羽的军队来说，可以说是一种保家卫国的战斗。因为项羽将士的家庭和妻女大多在彭城，刘邦进入彭城后的烧杀抢掠，都直接侵害到每个将士家庭的利益，所以他们在兵力众多的敌人面前，个个都勇敢善战，连续战斗，再次创造了以少胜多的战绩。而对刘邦的将士来说，这是一次深入敌人腹地的战斗，经过长途跋涉，一下子取得了意想不到的胜利，因而一定要以胜利者的姿态，尽情地掠夺和享受一番，之所以一败而不可收拾，也是意料中的事。
项羽在彭城之战中只能胜利，不能失败，如果失败了，就无退路，就有可能从此在历史上消失；而刘邦却还有大后方，只要他能生还，还有可以依赖后方的力量，重振旗鼓，再次登上历史舞台。所以刘邦一战失利，军队就四散逃亡，刘邦也不顾部下，甚至不顾自己的子女，只身去逃命。因为他只要逃出来，还有再恢复力量的希望。正因为有这种希望，还有退路可走，刘邦才失败了，而且失败得那样惨。惨痛的教训使刘邦认识到，他要战胜项羽并不是那么容易，必须作持久战的打算。
