这次，刘邦认为自己军队差不多，从下邑出发，再次攻丰，结果仍然没攻下。这时听说项梁在薛，于是留下军队围丰，自己率领百余骑至薛见项梁。项梁为沛公增兵五千、五大夫将十人，三攻丰邑。雍齿不敌，逃奔魏国。
这样，沛公刘邦成为项梁手下一员大将。而不久项羽攻下襄邑也还至薛。当陈胜死亡的消息确实之后，项梁尽召诸将还薛，采纳范增的建议，立战国时楚怀王的孙子芈心为楚王，仍号楚怀王，都盱眙。楚怀王以陈婴为上柱国，项梁号武信君。
立楚怀王后，项梁率军北上救齐赵，在亢父、东阿大破秦军。这时齐军因
田间、田都、田角之故，引兵还齐。只有楚军追击秦军。于是项梁下令楚军分军，以刘邦、项羽为帅，率楚军一部攻城阳。刘项二人率军攻下城阳（即成阳，今山东菏泽市东），屠之。 然后追击秦军至濮阳东，再次大破秦军。秦军这时得到补充，军势复振，守濮阳、环水。刘项二人不与之战，绕过进攻定陶。定陶未下，放弃，西攻雍丘（今河南杞县）。沛公将曹参大破秦兵，斩杀三川守李由，并俘虏秦侯一人。
之后，刘项二人还攻陈留，未下。这时秦将章邯大破项梁于定陶 （今山东定陶），项梁本人亦战死。刘项二人大惊，两人商量后决定放弃陈留，还军东归。刘项二人分兵，项羽军驻彭城西、吕臣军驻彭城东，而沛公军驻砀郡。
项梁之死，使诸侯震怖。而秦军更是挟战胜余威常追亡逐北。章邯经过一连番胜利，认为楚国已不足虑，于是北上进攻赵国。 攻下邯郸后迁其民于河内。而赵军退守巨鹿，章邯率军进围赵王歇与赵相张耳于巨鹿。
这时楚怀王把都城由盱眙迁至彭城，并项羽军与吕臣军自将。封项羽为长安侯，任鲁公；封沛公刘邦为武安侯，任砀郡长，将本部兵驻砀郡。以吕臣为司徒，其父吕青为令尹。 经过一番调整之后，楚国局势稳定下来。
入关灭秦
赵王与张耳困于巨鹿，遣使至楚向楚国求救。楚怀王经过商议后答应救赵。但为了分散秦军力量，决定派一支部队西向直接攻秦。北路楚军以宋义为主将，西路军以刘邦为主将。约定谁先入关中，谁就是关中王。
当时由于秦军军势正壮，楚国上下皆不看好西征，都不愿意领军西征。 于是他们以沛公为西征军统帅西征，借口是刘邦为人宽厚，可以减少西进阻力。而项羽则因为叔父之死，积极要求随沛公西征。 但楚诸老将皆以项羽为人“僄悍滑贼”及“所过皆残灭”不利于西征为由拒绝了项羽的要求，让他担任北路军的次将北上救赵。
沛公军由砀郡出兵，北上先行收集陈胜、项梁的散卒。 至成阳，与秦军夹壁杠里。沛公军出击秦军，大破秦军，秦将王离逃走。 接着，沛公引兵西进，遇彭越于昌邑（今山东巨野东南）。两人合力攻昌邑，未下，沛公还军至栗县（今河南夏邑）。 在栗县，遇刚武侯，夺其军，沛公军队增加了四千多人。 接着与魏将皇欣、魏申徒武蒲军合攻昌邑，又没攻下。沛公刘邦决定舍弃昌邑不打，率军西行。
刘邦行军至砀郡高阳，并访求贤士。 正好沛公军队中
有一骑士家在高阳，于是回家探亲。这时高阳人郦食其为其同乡，于是就请他代为向刘邦引荐自己。他对骑士说：“我听说沛公傲慢而看不起人，但他有许多远大的谋略，这才是我真正想要追随的人，只是苦于没人替我介绍。你见到沛公，可以这样对他说，‘我的家乡有位郦先生，年纪已有六十多岁，身高八尺，人们都称他是狂生，但是他自己说并非狂生。 ”骑士说：“沛公并不喜欢儒生，许多人头戴儒生的帽子来见他，他就立刻把他们的帽子摘下来，在里边撒尿。在和人谈话的时候，动不动就破口大骂。所以您最好不要以儒生的身份去向他游说。 ”郦食其对他说：“你只管像我教你的这样说。”骑士回去之后，就按郦生嘱咐的话从容地告诉了沛公。
于是通过骑士引荐，郦食其见到了沛公。但刘邦在召见他时，正踞坐在床，令两女子给其洗脚。郦食大为满，长揖不拜，直接斥责道：“您是想帮助秦国攻打诸侯呢，还是想率领诸侯灭掉秦国？” 刘邦骂道：“你个奴才相儒生！天下的人同受秦朝的苦已经很久了，所以诸侯们才陆续起兵反抗暴秦，你怎么说帮助秦国攻打诸侯呢？” 郦生曰：“如果您下决心聚合民众，召集义兵来推翻暴虐无道的秦王朝，那就不应该用这种倨慢不礼的态度来接见长者。” 于是刘邦起身道歉，整理好后以礼接待了郦食其。
当时，郦食其有个弟弟名叫郦商，陈胜起兵时，他亦聚数千人响应。郦食其归汉，郦商率其部下约四千多人加入沛公队伍。
郦食其劝刘邦进攻陈留县，刘邦从其计，夺下陈留，得到大量补给。接着令郦商为将，进攻大梁县（今开封），未下。绕过西进，与秦将杨熊所率秦军大战于白马、曲遇，大败秦军。秦将杨熊败走。
沛公军紧追其至白马，再次大破秦军，杨熊逃至荥阳，秦二世派使者斩杀杨熊。
消灭杨熊所部秦军后，沛公率军南下攻颖阳，屠之。而此时张良再次与刘邦相遇。 之前，张良劝项梁立韩成为韩王，并随韩王成西至韩地略地。但是一年多来，所略之地每占辄失，始终没打开局面，因此游兵于颖川一带。
刘邦率军进至此，与张良的韩军合兵，攻轩辕（今河南登封市西北）略定韩地。赵别将司马卬欲渡河入关，刘邦率军北上，攻平阴，破坏渡口。南下与秦军再战洛阳东，不利，南下阳城，收取城中军马。与南阳守齮战于犨（今河南平顶山西南）东，大破南阳秦军。 刘邦占领了南阳郡，南阳守退守宛城。
楚军想绕过宛城直接西进。张良劝道：“沛公虽欲急入关，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，偃旗息鼓，天未明，就将宛城团团围住。南阳守于是想自杀， 他的门客陈恢劝他不要先死， 并出使楚营说：“小臣听说足下曾与人相约：先入咸阳者为王，现在足下在攻打宛城。宛郡有据点数十处，守卫的将士自以为投降会被处死，所以都登城固守。足下如果整日强攻，双方伤亡定会很多，要是放弃攻宛而引兵向西，宛地的秦兵可能会尾追于后。足下攻宛则延误了先入咸阳者为王之约，足下弃宛则留下了后有追兵之患。小臣为足下着想，不如允许宛城守军投降，封郡守为侯，仍令他驻守原地，将他的兵力调出一并向西。前方还未攻下的城邑，定会闻风响应而迎接足下，足下便会顺利通行而无后顾之忧了。”于是双方约定后，南阳守投降，沛公封他为殷侯，封陈恢为千户。
刘邦率军继续西行，夺取了丹水（今河南淅川）。而高武侯鳃、穰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，与沛公军联合，攻下析（今河南西峡县）、郦等地。
刘邦所部楚军进至武关东。于是派魏人宁昌使秦，而这时章邯也投降了项羽。赵高杀秦二世，令使者还报刘邦，欲约分关中。
刘邦以为赵高为诈计，于是从张良之计，使郦食其、陆贾游说武关（今陕西丹凤县武关镇）秦将投降，然后袭击武关秦将，夺取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取了秦的汉中、巴、蜀等地。
接着汉军再在嶢下击败秦军，这样刘邦所部楚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队大战于蓝田，刘邦军大破秦军。 这样秦朝失去了所有的抵抗力量。
汉元年十月，秦王子婴素车白马，系颈以组，在轵道（今陕西西安城区）旁，向刘邦献上了传国玉玺。秦朝至此灭亡，共立国15年零47天。
刘邦很得意地进入了咸阳城，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋起来，准备就此住下，享受享受。 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。于是，刘邦率军退到了灞上。
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，伤人及盗抵罪。其他秦朝的苛刻法制一律废除，这使他得到了民心支持。 …
