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分封完后，项羽让大家到各自的诸侯国去就职，刘邦也只好到南郑去。项羽只分给了刘邦三万军队，后来又有一些人追随他到了南郑，但总兵力也不足十万，刘邦暂时还无法和项羽抗衡，只能坐待时机。为了消除项羽对他的猜疑，也为了断绝其他王侯从汉中袭击，张良建议刘邦将通向汉中的栈道烧毁了。
最初，刘邦并没有东进和项羽争雄的打算，但他到了南郑之后，形势的变化促使他下决心东进，和项羽争夺天下。一个原因是将士们不服南郑地方的水土，日夜思念家乡，士气低落。二是项羽封在齐国的田荣嫌项羽分封不公，起兵反叛，这给刘邦创造了进兵的绝好机会。正巧此时刘邦得到了大将韩信，萧何对刘邦说，如果要争霸天下，非重用韩信不可。韩信被封为大将后，提议立即出兵东进：“我们的将士都是山东之人（指函谷关以东地区），现在正好可以利用他们东归回家的强烈愿望，鼓舞士气，东进之后必将建功立业。事不宜迟，应当立即进兵。”
在公元前206年，刘邦让萧何任丞相，负责管理后方巴蜀地区，他亲自和韩信领兵从陈仓（现在陕西宝鸡东）偷渡，迅速占领了关中全部，至此，著名的楚汉战争正式爆发。
刘邦东进之后，曾经趁项羽和齐、赵交战之机拿下了河南，攻克洛阳，然后挥师东进，攻下了彭城。原先项羽打算在平定齐和赵后再和刘邦决战，现在见刘邦攻下了彭城，便领精兵三万急行军赶回，趁刘邦设酒宴庆功之机，在清晨发动袭击，一天之内便将汉军打败，在汉军撤退时，又被项羽追杀消灭了十几万人。到了灵壁（现在安徽宿县西北）东边的濉水又被项羽追上，又丧失十几万军队，濉水竟也被尸体堵塞了。只有刘邦和几十名骑兵奋力逃脱，但他的父亲和妻子吕后却被项羽抓获。原来跟随刘邦的其他路诸侯王见刘邦大败，先后舍他而去。
刘邦退到荥阳之后，得到了萧何从关中派来的增援部队，韩信也收拢打散的军队来会合。汉军又重振旗鼓，在荥阳的南边打败了项羽的军队，两军在荥阳一带开始对峙。后来，刘邦策反了项羽的大将英布，分化了项羽，也使项羽因为要分兵镇压而消弱了兵力。但项羽派兵侵扰汉军的运粮通道，最终将荥阳的汉军围困起来。刘邦无奈，只好向项羽求和，提出以荥阳为分界线，荥阳以西为汉，项羽想答应刘邦，但范增却不同意，说现在正是消灭汉军的好时机，错过这个机会，就后患无穷了。项羽于是又开始攻打荥阳。刘邦采用了陈平的离间计：等项羽派使者来劝刘邦投降时，刘邦就让人先摆出盛情招待的样子，送去精美的食品，等见了使者，又故意惊奇地说：“我们听说是亚父的使者来了，原来是项王的使者啊。”接着就将精美的食品拿了下去，换来不好的饭食。结果使者非常生气，回去便告诉了项羽。项羽不知其中有诈，从此不再听范增的意见了，怀疑他背叛自己，私下和刘邦交往。范增得知了内情，勃然大怒，他对项羽说：“现在天下局势已定，大王您自己多保重，我还是回家做一个平民百姓吧！”范增负气离开了项羽，但没有能到达彭城，就因为背上生疮病死在半途。由此可见项羽刚愎自用，勇猛有余智谋不足的一面，这是他最后失败的主要原因。
范增走后，项羽加紧进攻荥阳，刘邦也设法从荥阳突围。大将纪信自告奋勇，替刘邦向项羽假投降，让刘邦趁机逃脱。纪信乘坐着刘邦的车出东门假降，刘邦则从西门出城突围。纪信果然将项羽的大部分军队吸引住，结果项羽没有抓住刘邦，一气之下将纪信烧死了。拿下荥阳之后，项羽又占领了成皋（现在河南荥阳汜水镇），刘邦后来集中兵力将成皋收回，然后围困荥阳。项羽和刘邦在荥阳东北部的广武山一带相持不下，对峙达几个月之久，战局成胶着状态，项羽几次猛攻，刘邦就是不出战，凭着深沟高垒固守。项羽急于和刘邦决战，因为持久战对他不利，刘邦的粮草供应顺畅，而他的粮草供应却常遭到彭越的袭击。为了尽早结束战斗，同时迫使刘邦投降，项羽就把原先俘获的刘邦的父亲和妻子押到了两军阵前，他对刘邦说：“你如果再不投降，我就把你的父亲煮了！”刘邦知道项羽在要挟他，干脆耍起了无赖：“我和你曾经‘约为兄弟’，所以我的父亲就是你的父亲了。你要是一定要煮了你的父亲，那就请便吧。不过，别忘了也送给我一碗肉汤。”项羽听了气得七窍生烟，当场就下令将刘邦的父亲杀死，项伯从旁劝说道：“现在天下尚未定，而争夺天下的人是不会顾忌家人生死安危的，杀了他的亲人也起不到什么作用，只会加深祸患。”项羽便命人将刘邦的父亲带回去。项羽又对刘邦说：“天下连年战乱，只因为我们两人，我们单独挑战来决雌雄吧。”刘邦没有上他的当，却说：“我和你只斗智不斗力。”就这一句话实际上道出了刘邦取胜的根本所在！
接着刘邦接受建议，宣布项羽有十大罪状：“第一，你负前约，没有让我称王天下，而是称王蜀汉。第二，你杀死首领宋义，取而代之。第三，你救赵之后，本该息兵，却进军关中。第四，火烧阿房宫，中饱私囊。第五，你杀死秦王子婴。第六，你坑杀秦的投降士卒二十万。第七，对诸侯王分封不公。第八，将义帝赶出彭城，自己占为都城。第九，暗害义帝。第十，为人臣而弑主，杀害已经投降的士兵，主持政务不公平，主持约定也不守信用，我现在率领天下义军诛杀你这残忍的逆贼，用受过刑的罪人来杀你也就够了，何必非要和你单独决斗呢！”
楚汉双方对阵了十个多月，在侯公的撮合下，项羽和刘邦定下了停战协定：楚汉以鸿沟（现在河南荥阳、中牟和开封一线）为分界线，东西分治。协定达成之后，项羽将刘邦的父亲和妻子送还。项羽领兵东返，刘邦也打算领兵回关中。张良和陈平则极力劝说刘邦趁机灭掉项羽，因为这时项羽兵不精粮不足，万一他回到彭城，等于是纵虎归山。刘邦听了赶紧命令追击。同时派人命韩信和彭越火速集结，合击项羽。
公元前202年的十月，刘邦追上了项羽，但韩信和彭越的军队还没有到达。项羽向汉军猛烈反击，将汉军击溃。刘邦只得坚守不出，问谋士张良有什么良策。张良说如果能封给韩信齐地，封给彭越梁地，那他们两个肯定会火速进兵的。刘邦马上派人许诺韩信和彭越，在击败项羽后立即封他们为齐王和梁王，韩信和彭越也很快有了回音：立即进兵。同时，楚的大司马周殷也被刘邦派人劝降，淮南王英布领兵也赶来会师。汉军会合各路援军共三十万，和项羽决战垓下。夜里，围困项羽的汉军唱起了楚国苍凉的歌，使项羽以为汉军已占有全部楚地。走投无路的项羽在大帐中和心爱的虞姬饮酒，借着酒力慷慨而歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”虞姬唱道：“汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生。”
一派凄惨景象，虞姬含泪自刎，项羽跃马率领八百骑兵趁夜突围。第二天早晨，汉军才发现项羽已经突围而去，刘邦命令灌婴率骑兵火速追击。项羽在渡过淮河后，身边只剩下了一百人，到达阴陵时，因为迷路走入大泽之中。从大泽出来后，项羽向东撤退，在东城被灌婴的骑兵追上。项羽随从只有二十八人了，和汉军激战三次，杀伤几百汉军后，项羽拒绝了渡江回江东以图东山再起的建议，横剑自刎，至此楚汉战争结束。项羽虽然失败了，但后人对这个失败的英雄充满了同情和崇敬。
楚汉之争，争的是天下。而争天下必然要争人才，从这个意义上讲，楚、汉战争楚汉战争是智慧与蛮力之争，是人才之争，谁拥有大量的能人贤士，并且又能知人善任，谁就能取得战争的最后胜利。
项羽勇猛善战，无人能敌，性格也直爽豪阔，塑造了西楚霸王这一令人敬畏的形象。但项羽却又多妇人之仁，心胸不够宽广，又不善于拉拢使用人才，愿为士兵吸疮疗毒，但却舍不得封官设将，把刻好的官印玩没了棱角还舍不得授印；所以原来在他手下的人才如张良、韩信、陈平都转投刘邦。对于贤士，更是有一范增而不能用，岂能不败！
而刘邦却正相反，虽不善带兵打仗，却能却能虚心纳谏，从善如流。在用人方面，刘邦确有过人之处。开国之初，刘邦曾和韩信等群臣议论过各位将领的才能。刘邦问韩信说：“你看我能不能统率百万大军呢？”韩信说：“不能。”刘邦又问：“能否统率十万军队呢？”韩信说：“不能。”刘邦生气地说：“依你说，我能带多少兵？”韩信说：“能带一万就不错了！”刘邦反问道：“那么，你能带多少兵呢？”韩信毫不客气地回答说：“至于我么，越多越好。”刘邦既不解又气愤地问：“既然这样，为什么我做皇帝，你只能做将军呢？”韩信回答说：“陛下虽不善将兵，却善将将。”刘邦也曾自己总结说，运筹帷幄，决胜千里，不如张良；输粮草、保供给，治国安民，不如萧何；亲临前线，挥兵杀敌，不如韩信；但其长处就在于善于“将将”。
因为刘邦在人才争夺战中是胜利者，因而他赢得了整个战争，建立起了强大的西汉王朝。
称帝建汉
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