当项羽率军进入关中时，刘邦已先期进据咸阳。由于楚怀王有约在先，“先入关者王之”，刘邦理应王关中。项羽入关后，依恃手中40万大军，企图消灭刘邦，独霸天下。因刘邦卑辞言和，双方暂时和解。项羽随即引兵西屠咸阳，诛秦降王子婴，焚烧秦宫室，掳掠货宝和美女东归，秦民大失所望。汉元年(前206年)，项羽以怀王为义帝，都郴，又分封诸侯，自立为西楚霸王，据有梁、楚地九郡，都彭城，封刘邦为汉王。不久，田荣、陈余、彭越等相继举兵反楚。刘邦也还定三秦，进逼西楚，于是爆发了历时4年多的楚汉战争。

楚汉战争之初，刘邦乘项羽揭留齐地，于汉二年四月进占彭城。项羽随即回师救援，大败汉军，刘邦退据荣阳。此后，楚汉双方在荣阳、成皋一线长期相持。项羽虽取得一系列战役的胜利，但其-、军事上的弱点却日益显露。他不都关中而都彭城，丧失了有利的战略地势，无法建立一个巩固的后方，一直处于两线作战的不利处境，进退失据，疲于奔命。项羽分封诸侯，既违背历史趋向统一的潮流，也促使那些在分封中没有得到满足的诸侯王倒向刘邦，使他在-上日益孤立。此外，项羽虽然作战骁勇，却不善于用人，如韩信、陈平等都弃楚投汉，成为刘邦的重要将领和谋士，甚至对他的重要谋臣范增也不信任，以至在-上屡屡失策。由于上述原因，使项羽丧失了在战役上取得的一系列战果，而刘邦却得以转败为胜。汉五年十二月，楚军被围困于垓下(今安徽灵壁东南)，人少食尽。汉军四面唱起楚歌，“项羽与虞姬兮奈若何！”最后，项羽与从者800余骑突围，至阴陵迷失道路，复至东城，从者仅剩28骑。汉将灌婴率5000骑追及，项羽引兵东向，至乌江(今安徽和县境)自刎而死。项羽自则前，仍称“此天之亡我，非战之罪也”，而不能认识自己终致失败的原因。汉王刘邦以鲁公礼葬项羽于谷城。《史记》卷7有纪。