亚父范增也劝项羽趁机杀刘邦，项羽决定第二天会战刘邦。
当时项羽有四十万兵，刘邦只有十万。
张良故友项伯连夜来见张良并劝其逃走，张良带项伯见刘邦，刘邦与项伯结为亲家并求他劝说项羽。
次日刘邦带百余随从到鸿门向项羽自证清白，项羽说出是听了曹无伤的话才有杀他的想法。
项羽留刘邦喝酒，范增数次示意项羽下令杀刘邦，但项羽均视而不见，范增便让项庄舞剑助兴，项庄几度刺杀刘邦，均被项伯出剑拦下。
随后刘邦借口上厕所，在樊哙和张良等人的帮助下脱身。
项羽西进咸阳后大肆屠杀，焚烧秦宫并杀秦王子婴。
他尊楚怀王为义帝，实则拥兵自重，自立为西楚霸王，统辖梁国、楚国的九个郡，建都彭城，背弃义帝约定，改封刘邦为汉王，统辖巴、蜀、汉中，建都南郑，还把关中一分为三，封秦国降将章邯为雍王、司马欣为塞王、董翳为翟王。
刘邦在前往封国途中烧毁栈道，以表示无意东出争夺天下。
到南郑后，他在萧何的推荐下拜韩信为大将，韩信建议刘邦出兵东进关中。
公元前206年八月，刘邦采用韩信“明修栈道，暗度陈仓”的计策，从故道出兵，迅速平定三秦，夺取了关中宝地。
之后，刘邦与项羽展开了长达四年的楚汉相争。
期间，刘邦联合各地诸侯，与项羽的楚军多次交战，双方互有胜负。
最终，刘邦在垓下之战中击败项羽，赢得了天下。
刘邦称帝后，为巩固皇权，陆续铲除了韩信、彭越、英布等异姓诸侯王，以同姓诸侯王取而代之。
刘邦称帝后，为集中皇权，陆续削除异姓诸侯王，分封同姓诸侯王，实行郡国并行制；建立国家制度，命韩信申军法，张苍定章程，叔孙通制礼仪，萧何作《汉律九章》，还命陆贾着书论秦以资借鉴；开创了封建帝王祭孔的先例，以太牢之礼祭祀孔子；为恢复社会经济，采用“黄老治术”，实行休养生息政策，颁布“复故爵田宅”令，发展农业生产；对外缓和与匈奴的关系，开放边境关市，实行和亲政策。
汉高祖十二年（公元前195年），刘邦因讨伐英布叛乱时受重伤而逝世，死后葬在长陵，尊号高皇帝，庙号太祖。
【后世评价】：
- 石勒：“朕若逢高皇，当北面而事之，与韩彭竞鞭而争先耳。脱遇光武，当并驱于中原，未知鹿死谁手。”
（《晋书·石勒载记》）石勒认为自己若与刘邦同时代，只能在其麾下效力，而面对刘秀则有一争之力。
- 耶律阿保机：崇拜刘邦到把自己的契丹姓氏改为刘。
- 李世民：“正主御邪臣，不能致理；正臣事邪主，亦不能致理。唯君臣相遇，有同鱼水，则海内可安也。昔汉高祖，田舍翁耳。提三尺剑定天下，既而规模弘远。”
（《贞观政要》）李世民认为刘邦所开创的大汉王朝国运长久，政治影响力宏远，佩服其政治格局。
- 朱元璋：“惟汉高祖皇帝除嬴平项，宽仁大度，威加海内，年开四百。有君天下之德而安万世之功者也。”
（《明太祖实录》）在朱元璋眼里，刘邦是能安万世之功的伟大帝王。
- 汤因比：“人类历史上最有远见、对后世影响最大的两位政治人物，一位是开创罗马帝国的凯撒大帝，另一位便是创建大汉文明的汉高祖刘邦”。
汤因比将刘邦抬到了整个东方帝王天花板的高度。
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