公元前206年，项羽在鸿门宴上不忍杀死刘邦，率军进入咸阳，杀了秦王子婴，火焚阿房宫，掘毁秦始皇墓，自称西楚霸王，分封诸侯尊楚怀王为义帝。时共封十八个侯王，建了十八个诸侯国，封刘邦为汉中王，都南郑（今陕西南郑县），辖巴、蜀、汉中三郡。另将关中之地，分封秦三降将，合称三秦，以拒刘邦。然后，项羽尽收秦宫金银珠宝，运回楚国的国都彭城（今江苏徐州市），又暗令将军英布杀死义帝熊心（楚怀王），众皆愤恨。
汉王二年（公元前205年）三月，刘邦平定三秦以后，趁项羽远征齐地，后方空虚之际，以讨伐逆贼为名，纠集各路诸侯五十六万大军，火速攻占了彭城。项羽闻国都失陷，亲统三万大军回攻彭城，杀死汉军十余万人，收复了彭城，展开了“楚汉战争”。刘邦收集残兵败将退守荥阳（今河南郑州市），留守在关中的萧何，把关中的老弱和儿童全部征发去坚守荥阳。次年（公元前204年）夏四月，项羽率兵围攻荥阳，又放火尽烧刘邦屯积在敖仓的粮食，城内军民乏食，危若累卵。汉王请和，项羽不允。谋士范增竭力劝谏项王，不要再失良机，一定要杀掉刘邦，日夜攻城不休。刘邦心急如焚，他唯一能和项羽相抗衡的大将韩信，这时统兵二十万正在攻打赵国和代国，只抽调部分精兵助守荥阳。他的谋士陈平施用反间计，离间项羽君臣，使项羽罢免了大将钟离昧的兵权，气走了老谋深算的范增。殊不知范增气死途中，项羽猛省中计，又重用钟离昧，如今攻城更急，眼看要城破身亡了。刘邦越想越急，寝食俱废。这时，纪信将军只身入营献计道：“如今楚军猛烈攻城，我军兵少粮尽，定难久守。与其坐以待毙，不如由臣假扮大王，从东门出，诈降楚军，大王则微服走西门，率夏侯婴、樊哙诸将奔成皋，令御史大夫周苛等众守城。如是臣一人死，三军可全，汉室可兴矣。”汉王迟疑未决，纪信奋然道：“大王不忍臣死，城毁俱亡，焉能独生，不如先死君前以明心志！”乃拔剑欲自刎。汉王握其手道：“将军真忠义啊！”遂与陈平商议，写了降书，派人送交项王，约定当夜东门投降。用陈平计，夜半大开东门，放出三千女兵，铁甲细步，娇滴扭捏，鱼贯而出。四面围城楚军都拥到东门看热闹，防备松懈，汉王乘间与张良、陈平、樊哙、夏侯婴等数十骑从西门冲出，逃往成皋而去。待女兵走尽，天已大亮，纪信穿戴汉王衣冠，乘坐王车，举大旗，前呼后拥，缓缓出城。楚军以为是汉王来降，欢喜若狂，高呼万岁。项羽出营审视，见车内端坐的人不是刘邦，大发雷霆道：“你是何人，敢冒充汉王，刘邦在哪里？”纪信从容说道：“我乃大汉将军纪信，汉王早已离开荥阳了。”项羽气极，下令烧死纪信。纪信大骂道：“逆贼项羽，弑义帝，杀忠臣，绝无好下场！”霎时皮焦骨烂，人车成灰。楚军攻克荥阳，项羽烹杀周苛。在楚汉战争中，双方苦战了五年，刘邦由弱转强，项羽渐处劣势。项羽向刘邦提出中分天下，以鸿沟（今河南贾鲁河）为界，河东属楚，河西属汉，刘邦不答应。汉王四年（公元前203年）底，刘邦汇合诸将，合围项羽于垓下（今安徽灵璧县东南）的一个山头上。项羽兵少粮绝，孤立无援，白天看到山下旌旗遍野，鼓角齐鸣；夜半又闻四面传来的楚歌，以为楚国已失，军心涣散，已无斗志。他见大势已去，连夜夺路突围。刘邦闻讯，立即派五千骑兵追赶。项羽渡过淮河，只剩一百余人，汉军追上，杀得他只剩二十八个残兵。项羽跑到乌江（今安徽和县东北）边上，见前面茫茫乌江，后面滚滚追兵，走投无路，羞愧悔恨，拔剑自刎。