们会合。”便率兵去攻打陈留、外黄、睢阳，都攻下来了。汉军果然多次向楚军挑战，楚军都不出来，汉军派人辱骂他们，接连五六天，曹咎气愤之极，领兵横渡汜水。士兵刚刚渡这一半，汉军出击，大败楚军，缴获了楚国的全部金玉财物。大司马曹咎、长史司马欣都在汜水上自刎了。项羽到达睢阳，听说海春侯被打败，就率军赶回来。汉军这时把钟离眛（mèi；妹）围困在荥阳东面；项羽到来；汉兵已全部跑到深山险阻地带去了。韩信攻下齐国后。派人去对汉王说：“齐国和楚国临界，我的权力太小，如果不立个代理之王，恐怕不能安定齐地。”汉王想去攻打韩信，留侯张良说：“不如趁此机会立他为齐王，让他自己为自己守住齐地。”于是汉王派张良带着王印到齐国封韩信为齐王。
项羽听说龙且的军队被打败，就害怕了，派盱台人武涉去游说韩信反汉。韩信没有同意。
楚汉两军相持很久，胜负未决，年轻人厌倦了长期的行军作战，老弱者由于运送粮饷疲备不堪。汉王和项羽隔着广武涧对话。项羽要跟汉王单独决一雌雄，汉王则一项一项地列举项羽的罪状说：“当初我和你项羽一同受怀王之命，说定了先入关中者在关中为王，你项羽违背了约定，让我在蜀汉为王，这是你的第一条罪状。你项羽假托怀王之命，杀了卿子冠军宋义，而自任上将军，这是你的第二条罪状，你项羽奉命援救了赵国，本应当回报怀王，而你项羽却擅自劫持诸侯的军队入关，这是你的第三条罪状。怀王当初约定入关后不准烧杀掳掠，你却焚毁秦朝宫室，挖了始皇帝坟墓，私自收取秦地的财物，这是你的第四条罪状。你硬是杀掉已经投降的秦王子婴，这是你的第五条罪状。你采用欺诈手段在新安活埋了二十万秦兵，却封赏他们的降将，这是你的第六条罪状。你项羽把各诸侯的将领都封在好地方，却迁移赶走原来的诸侯王田市、赵歇、韩广等，使得他们的臣下为争王位而反叛，这是你的第七条罪状。你项羽把义帝赶出彭成，自己却在那里建都，又侵夺韩王的地盘，把梁、楚之地并在一起据为已有，这是你的第八条罪状。你项羽派人在江南秘密地杀了义帝，这是你的第九条罪状。你为人臣子却谋杀君主，杀害已经投降之人，你为政不公，不守信约，不容于天下，大逆不道，这是你的第十条罪状。如今我率领义兵和诸侯们来讨你这个残害人的罪人，只让那些受过刑的罪犯就可以掉你项羽，又何必劳累我来跟你挑战呢？”项羽十分恼怒，埋伏好的带机关的箭射中了汉王。汉王伤的是胸部，却按着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾！”汉王因受箭伤而病倒了，张良硬是请他起来出去巡行，慰劳部队，以便稳定军心，不让楚军占胜利的威势压过汉军。汉王出去巡视军营，病情加重，立即赶回了成皋。
汉王病愈后，西行入关，来到栎阳，慰问当地父老，摆设酒席，杀了原塞王司马欣，把他的头悬挂在木杆上示众。汉王在栎阳停留了四天，又回到军中，部队驻扎在广武。这时候，关中的军队出关参战的也增多了。
这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。田横前往梁地依附他。项羽多次攻击彭越等人，齐王韩信又进兵攻打楚军，项羽害怕了，就跟汉王约定，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽送回了汉王的家属，汉军官兵都呼喊万岁，然后项羽回营别去。
项羽罢兵回东方了，汉王也想率军回西方。但汉王采用张良、陈平的计策，乘楚军兵疲粮尽，索性就消灭它，于是进兵追赶项羽，到阳夏南面让部队驻扎下来，和齐王韩信，建成侯彭越约定日期会合，共同攻击楚军。汉王到达固陵，韩信、彭越却没有来会合。楚军迎击汉军，把汉军打得大败。汉王又逃回营垒，深挖壕堑固守。又采用张良的计策派使者封给韩信、彭越土地，使他们各自为战，于是韩信、彭越都来会合了。黥布和刘贾进入楚地，围攻寿春，汉王却在固陵打了败仗，于是派人去召大司马周殷，让他出动九江军队击迎会武王黥布，行军途中屠戮了城父（ｆǔ；甫）； 然后随刘贾、齐、梁诸侯的军队在垓下大会师。汉王封武王黥布为淮南王。
五年（前202），高祖和诸侯军共同进攻楚军，与项羽在垓下决战。 淮阴侯韩信率领三十万大军与楚军正面对阵，他的部将孔将军在左边，费将军在右边，汉王领兵随后，绛侯周勃、柴将军跟在汉王的后面，项羽的军队大约有十万。淮阴侯首先跟楚军交锋，不利，向后退却。孔将军、费将军从左右两边纵兵攻上去，楚军不利，淮阴侯乘势再次攻上去，大败楚军于垓下。项羽的士兵听到汉军唱起了楚地的歌，以为汉军已经完全占领了楚地，项羽战败逃走，楚军因此全部崩溃。汉王派骑将灌婴追杀项羽，一直追到东成，杀了八万楚兵，终于攻占平定了楚地。只有鲁县人还为项羽坚守，不肯降服，因为怀王当初封项羽为鲁公。汉王就率领诸侯军北上，把项羽的头给鲁县的父老们看，鲁人这才投降。于是，汉王按照鲁公这一封号的礼仪，把项羽葬在穀城。然后回师定陶，驱马驰入齐王韩信的军营，夺了他的兵权。
正月，诸侯及将相们共同尊请汉王为皇帝。汉王说：“我听说皇帝的尊号，贤能的人才能据有，空言虚语，不是我所要的，我可承担不了皇帝的尊号。”大臣们都说：“大王从平民起事，诛伐暴逆，平定四海，有功的分赏土地封为王侯，如果大王不称皇帝尊号，人们对大王的封赏就都不会相信。我们这班人愿意以死相请求。”
汉王辞让再三，实在推辞不过了，才说：“既然诸位认为这样合适，那我就为了国家的便利吧。”甲午日，汉王在汜水北面登临皇帝之位。
皇帝提到义帝没有后代。因为齐王韩信熟悉楚地的风俗，就改封韩信为楚王，建都下邳。封建成侯彭越为梁王，建都定陶。原韩王信仍旧为韩王，建都阳翟。改封衡山王吴芮为长沙王，建都临湘。番君的部将梅鋗有功劳，曾经随汉军进入武关，所以皇帝感激番君。淮南王黥布、燕王臧荼、赵王张敖封号都不改变。
天下全都平定了，高祖定都在洛阳，诸侯都称臣归从于高祖。原临江王共驩（ｈｕāｎ，欢）为项羽效忠，反叛汉朝，高祖派卢绾、刘贾去包围了他，没有攻下。过了几个月共驩才投降，在洛阳把他杀了。
五月，士兵都遣散回家了。各诸侯子弟留在关中的，免除赋税徭役十二年，回到封国去的免除赋税徭役六年，国家供养他们一年。
高祖在洛阳南宫摆设酒宴。高祖说：“列侯和各位将领，你们不能瞒我，都要说真心话。我之所以能取得天下，是因为什么呢？项羽之所以失去天下，又是因为什么呢？”高起、王陵回答说：“陛下傲慢而且好侮辱别人；项羽仁厚而且爱护别人。可是陛下派人攻打城池夺取土地，所攻下和降服的地方就分封给人们，跟天下人同享利益。而项羽却妒贤嫉能，有功的就忌妒人家，有才能的就怀疑人家，打了胜仗不给人家授功，夺得了土地不给人家好处，这就是他失去天下的原因。”高祖说：“你们只知其一，不知其二。如果说运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我比不上张子房；镇守国家，安抚百姓，供给粮饷，保证运粮道路不被阻断，我比不上萧何；统率百万大军，战则必胜，攻则必取，我比不上韩信。这三个人都是人中的俊杰，我却能够使用他们，这就是我能够取得天下的原因所在。项羽虽然有一位范增却不信用，这就是他被我擒获的原因。”
高祖打算长期定都落阳，齐人刘敬劝说，还有留侯张良也劝说高祖进入关中去定都，高祖当天就起驾入关，到关中去建都。六月，大赦天下。
十月，燕王臧荼造反，攻下了代地。高祖亲自率军前去讨代，禽获了燕王臧荼。当即封太尉卢绾为燕王。派丞相樊哙领兵去攻打代地。
这一年的秋天，利几造反，高祖又新自带兵去讨伐，利几败逃。利几原先是项羽的部将。项羽失败时，利几是陈县县令，没有跟随项羽，逃出归降了高祖。高祖把他封在颖川为侯。高祖到达洛阳后，召见全部在名册的列侯，利几心里害怕，所以就造反了。
六年（前201），高祖每五天朝拜太公一次，按照一般人家父子相见的礼节。 太公的家令劝说太公道：“天上不会有两个太阳，地上不应有两个君主。当今皇帝在家虽然是儿子，在天下却是万民之主，太公您在家虽然是父亲，对皇帝却是臣子。怎么能够叫万民之主拜见他的臣子呢！这样做，皇帝的威严就不能遍行天下了。”后来高祖再去朝见太公，太公就抱着扫帚，面对门口倒退着走。高祖大为吃惊，急忙下车搀扶太公。太公说：“皇帝是万民之主，怎么能因为我而乱了天下的规矩呢！”于是高祖就尊奉太公为太上皇，心里赞赏那个家令的话，赐给他五百斤黄金。
十二月，有人上书报告楚王韩信谋反作乱的事，高祖向左右大臣询问对策，大臣们都争着想去征讨。最后高祖采用了陈平的计策，假装去游览云梦泽，在陈县召见诸侯，楚王韩信来迎接，就趁机拘捕他。当天，大赦天下。田肯来祝贺，趁便劝说高祖道：“陛下抓住了韩信，又在关中建都。秦地是形势险要之地，周围有山河环绕，与关东有千里长的疆界被山河阻隔。如果关东拥有百万军队，那么秦地只需兵力二万就可以抵挡住。秦地地势这样有利，如果对诸侯用兵，就好象从高屋檐角的滴水器往下流水一样，居高临下，势不可挡。还有齐地，东有琅邪（ｙá，牙），即墨的富绕，南有泰山的险固，西有黄河的天险，北有渤海的地利。土地纵横各二千里，与诸侯的疆界被山水阻�