赵贲兵败退守开封城，郦商率领陈留县兵，与刘邦、曹参一同包围开封城，没有攻下。刘邦转而西进，率领麾下曹参、樊哙、夏侯婴、傅宽、郭蒙等人在白马、曲遇东面与秦将杨熊交战，大破杨熊军，曹参俘虏秦国司马、御史各一人；夏侯婴累计俘虏六十八人，收降士卒八百五十人，并缴获官印一匣。刘邦部队又在阳武再次击退杨熊，杨熊败走逃至荥阳，被秦二世派人杀死。
张良早前劝项梁立韩成为韩王，并随韩王成西至韩地略地，但接连数月所略之地每占辄失，始终没打开局面，因此游兵于颍川郡一带。当刘邦从洛阳南出轘辕山行进时，张良领着一队兵马前来跟从刘邦，刘邦向南攻取颍阳县，屠灭全城。接着攻打长社，凭借张良的协助攻占了韩国的轘辕关，又夺取缑氏县，接连打下韩地的十多座城邑，击破了秦将杨熊遗留的守军。
刘邦攻取韩地阳城期间，让张良凭借韩国司徒的身份去招降韩国旧地，得到韩国王室后裔韩信的加入，并让他担任韩王成的将领。刘邦略定韩国一带，让韩王成留守韩国旧都阳翟，带着张良继续进军，韩信也率领他的军队跟随刘邦。
赵国的别将司马卬，正想渡过黄河进入函谷关，刘邦向北拿下平阴县，截断黄河渡口，刘邦向南进军，携麾下曹参、周勃、樊哙、郦商、夏侯婴、灌婴与秦军在洛阳东部、尸乡北部交战，再次大破赵贲大军。刘邦击溃赵贲后，继续进攻洛阳，没能攻克，转而南下阳城，收编城中马匹骑兵。往南攻打南阳郡，在犨县东面、阳城东面击破南阳郡守吕齮，吕齮退守宛城。
刘邦想绕过宛城直接西进，张良劝道：“您虽欲急入关，秦兵尚众，距险。今不下宛，宛从后击，强秦在前，此危道也。”于是，刘邦在夜晚引兵还攻宛城，变更旗帜，天未明，就将宛城团团围住。曹参、樊哙领军攻打宛城，先登陷阵。吕齮想要自杀，他的门客陈恢加以劝阻，并出使楚营，与刘邦约定举城归降，并建议刘邦带着降兵西进，留下郡守守城，刘邦于是封吕齮为殷侯，封陈恢食邑千户。在刘邦平定南阳郡时，项羽和章邯在殷墟会盟，章邯率军投降项羽，项羽也带着降兵行进。
刘邦率军继续西行，各地没有不降服的，到达丹水，而高武侯鳃、襄侯王陵这时也加入刘邦所率领的楚军，攻下西陵、胡阳。并且番君吴芮的部将梅鋗也至此，与刘邦军联合，攻下析、郦等地。
刘邦所部楚军进兵至武关东面，派魏人宁昌出使秦廷，而这时章邯也投降了项羽。秦丞相赵高弑杀秦二世，令使者回报刘邦，想要和刘邦约定平分关中，刘邦认为赵高在使诈，于是听从张良之计，让郦食其、陆贾劝降武关秦将，趁此机会袭取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取秦的汉中、巴、蜀等地，接着刘邦军再在峣下击败秦军，进至秦都咸阳附近的蓝田。秦廷在组织了最后的力量，与刘邦军大战于蓝田，遭遇大败，此后，秦朝失去了所有的抵抗力量。
刘邦的军队先于各路诸侯到达灞上，秦王子婴乘素车、驾白马，用丝带系颈，手捧着皇帝的玉玺符节，在轵道旁投降，秦朝至此灭亡。刘邦进入了咸阳后，看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋，准备就此住下，樊哙劝他注意天下还没有平定，别忘了秦的前车之鉴。刘邦根本听不进去，直到张良亲自来劝，他这才认识到了问题的严重性，率军退到了灞上。
刘邦到达灞上之后，便召集当地的名士，和他们约法三章：杀人者死，伤人和偷盗要受到相应的处罚。其他秦朝的苛刻法制一律废除，这使他得到了民心支持。
项羽率领诸侯军队抵达关中，范增劝他趁机除掉刘邦，项羽就下令准备，要在第二天进攻。这时的刘邦在兵力上，无法和项羽带领的诸侯国军队相抗衡，他只有十万军队，项羽有兵力四十万。项羽的叔父项伯，因与张良有老交情，连夜潜入营中劝张良走，以免开战被杀。张良不愿丢下刘邦，就将消息透露给了刘邦，惊慌之下，刘邦赶忙向张良要计策，张良让刘邦赶紧去见项伯，说明自己没有野心和项羽争夺王位。刘邦依计会见项伯，说明自己并无称王野心，并与项伯约为亲家。项伯当天夜里返回军营对项羽说：“刘邦不率先攻破关中，你怎么敢进入呢？现在别人有大功劳我们反而攻打他，不道义啊，不如就善待他吧。”项羽答应了。
刘邦带着一百多名骑兵赶到项羽的驻地鸿门，当面向迎接他的项羽赔礼道歉，项羽请刘邦入内赴宴，范增在鸿门宴上，一再示意项羽发令，但项羽却犹豫不决，默然不应。范增召项庄舞剑为酒宴助兴，趁机杀掉刘邦，项伯为保护刘邦，也拔剑起舞，掩护了刘邦，使项庄的刺杀没有成功。后来，刘邦借故离开，回到了大营。
鸿门宴之后，项羽便领兵西进，进入咸阳，屠戮并烧毁秦朝宫室、杀秦王子婴。项羽不顾楚怀王熊心“先入定关中者王之”的约定，而把熊心尊为义帝，打算和各国诸侯将相自行分封，自立为西楚霸王，主持分封天下：刘邦封为汉王，领地是巴、蜀和汉中共四十一县，国都为南郑；封秦朝的降将章邯、司马欣、董翳为雍王、塞王、翟王，领关中地，以扼制刘邦。刘邦大怒，打算出兵攻打项羽，经过萧何等人的劝阻，才决定隐忍入蜀。
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