刘邦在咸阳安定了人民的情绪以后，就只打算做关中王了。这时，有一个人对他说：“秦地富足，十倍于天下，并且地形险要，进可以攻，退可以守。现在听说章邯已经投降了项羽，项羽封他为雍王，管辖关中，马上就会到达，沛公，你只怕得不到这地方了。如今惟一的办法，就是赶快派军队去把守函谷关，不准任何诸侯的军队进来，然后再征集一些关中的士兵以增强自己的力量，这样就可以抗拒他们。”沛公认为他的建议不错，就是这样作了安排。十一月中旬，项羽果然率领各路诸侯兵马向西挺进；准备直取关中。他来到函谷关下，只见城门紧闭，有重兵防守，无法通过。这时，他听说沛公已经平定关中，守关之兵正是他所派遣，便勃然大怒，立即命令黥布带领部队进攻。巨鹿之战刚结束，项羽部队的士气正是旺盛的时候，一下就把函谷关拿下来了。十二月中，项羽的部队到达戏西（戏水之西，今陕西临潼东三十里），当时，沛公的队伍驻扎在灞上，没有和项羽见面，沛公手下担任左司马职务的曹无伤听说项羽发脾气，准备进攻沛公，他知道项羽力量强，沛公不是对手，就派人到项羽那里去进行挑拨，讨好项羽，想以此求得将来项羽的重用。他派去的人对项羽说：“沛公想做关中王，己任命子婴为丞相，秦王所有的珍宝财物他都据为已有了。”项羽听了，更加气愤，说：“明天犒劳战士，让他们好好吃一顿，好去击破沛公的军队。”这时，项羽的军队有四十万，驻在新丰（陕西临潼东）的鸿门（新丰东十七里，今名项王营），沛公兵有十万，驻扎在灞上。范增对项羽说：“沛公在未入关前，贪图钱财珍宝，喜爱美人。入关后，任何珍奇宝物都不要，也不亲近女人，看来志气不小。我叫人观望他那边的云气，五彩缤纷，像龙虎的形状，这是天子的气象。你要赶快进攻，不要失掉时机。”
楚国的左尹（令尹的助手）项伯，是项羽的叔父，一向和张良要好。这时，张良跟随沛公在一起，于是，项伯连夜骑马到沛公军营，悄悄地会见了张良，把事情原原本本告诉了他，要张良马上跟随他一道走。他对张良说：“不要白白和沛公死在一块。”张良说：“我为了韩王陪伴沛公，今天沛公处在危急的时候，我就这样逃走，那太不讲道义了，不能不告诉他一声。”张良于是进去把情况统统告诉了沛公。沛公大吃一惊，说：“怎么办呢？”张良说：“是谁给大王出的这个主意？”沛公说：“一个见识浅陋的小子对我说：‘把守函谷关，不让诸侯进来，就可以据关中为王了。’我轻信了他的话。”张良说：“大王的军队能够抵挡项王吗？”沛公沉默了一会，说：“当然抵挡不住，那又该怎么办呢？”张良说：“请让我去告诉项伯，说量沛公不敢背叛项王。”沛公说：“你怎么跟项伯有那么好的交情？”张良说：“秦时，项伯就和我交游，有一次他杀了人，要判罪，我救了他。今天有急难，所以特地来告诉我。”沛公说：“你和他谁的年纪大？”张良说：“他比我大。”沛公说：“你一定替我去把他请进来，我要像对兄长那样对待他。”张良于是去邀请项伯，项伯随即到里面会见了沛公。沛公特别设宴招待，并向项伯敬酒祝颂。两人谈得很融洽，于是彼此联姻，攀做儿女亲家。沛公说：“我入关以来，丝毫东西都不敢动用，登记官吏百姓，造报户籍，封闭府库，以等待将军的到来。之所以振兵守关，是为了防备强盗出入和发生意外的事情。我日夜盼望将军到来，哪里敢反叛呢？请老兄替我在项王面前详细说明我是不敢忘恩负义的。”项伯答应了，同时对沛公说：“明日不可不早些亲自去向项王请罪。”沛公说：“好！”项伯连夜回到军中，把沛公的话详细转达给项王听了，并说：“沛公不先打进关中，你能轻易入关吗？现在人家立了大功反而要消灭他，这是不道义的，不如客客气气地对待他。”项王同意了。
第二天，沛公只带了百多个骑兵警卫到鸿门来见项王，首先向项王道歉认错，说：“我跟将军并力攻秦，将军在黄河以北作战，我在黄河以南作战，料想不到我能够先打到关中，在这里见到将军。现在有小人从中挑拨，以致使将军和我产生了隔阂。”项王说：“这是你的左司马曹无伤说的，不然，我何至于误会到这个地步。”项王当天设宴招待沛公。项王、项伯向东坐，亚父范增向南坐，沛公向北坐，张良作为沛公的顾问也出席了，身分较低只是向西陪坐。在饮酒时，范增几次给项王使眼色，并再三举起自己佩带的玉块向项王示意，希望他能够决断；但项王默然不应。范增起身出去叫来项羽的堂弟项庄，对他说：“君王为人心肠不狠，你进去祝酒，祝酒完毕，请求舞剑，趁机在座席上刺死沛公。不这样做，你们这些人将来都要作他的俘虏。”项庄进去祝酒，然后说：“君王与沛公饮酒，军中没有什么娱乐，请让我舞剑来助助兴。”项王说：“好！”项庄拔剑起舞，项伯知道项庄舞剑的意图，也拔剑起舞，经常用自己的身体掩护沛公，使项庄得不到刺杀的机会。张良看到气氛万分紧张，立即出来到军门外找樊哙。樊哙一见张良，就急忙问：“现在情况怎么样？”张良说：“危急得很。此刻项庄正在舞剑，用意是要刺杀沛公。”樊哙说：“这样紧迫，让我进去，我和他们拼了。”樊哙立即带剑持盾来到军门，守门的卫士两戟相交，打算阻挡，不让他进去。樊哙心急如焚，侧着盾用力向两边撞去，两个卫士应声跌倒在地。于是他大步闯入营内，揭开围帐，站在张良背后，面也向西，气冲冲地看着项王，头发直竖，眼眶欲裂。项王看到突然闯进来这样一个凶神恶煞般的不速之客，不由一惊，紧张地作出反应，忙按剑起身，问道：“你是干什么来的？”张良紧接着回答说：“他是沛公的贴身警卫，名叫樊哙。”项王这才松了一口气，看着樊哙那模佯，说：“这是一位壮士，赐他一杯酒。”左右给他斟了一大杯。樊哙拜谢，站起来一饮而尽。项王说：“赐给他一只猪腿。”左右给了他一只没有煮熟的生猪腿。樊哙把盾翻过来搁在地上，把猪腿放在上面，拔出剑来一大块一大块切着吃。项王问：“壮士，你还能再喝吗？”樊哙说：“我死都不怕，一杯酒算得什么！秦王心如虎狼，杀人惟恐不多，用刑惟恐不重，结果天下人都起来反对他，讨伐他。楚怀王和诸侯约定：‘先打垮秦军进入咸阳的为关中王’。如今沛公先攻破秦军进入咸阳，丝毫东西都不敢拿，封闭宫室，把军队带出咸阳驻扎在灞上，等待大王到来。至于派兵守关，那是防备其他强盗出入和意外的事情。这样劳苦功高，没有得到封侯的奖赏，反而听信小人之言，想要杀害有功之人。这是继续走亡秦的道路，我的内心是不希望你这样做的。”项王无言可答，只是说：“坐。”樊哙于是坐在张良旁边，过了一会，沛公起身上厕所，招呼樊哙一道出去。
沛公出去后，项王派都尉陈早去请沛公。这时，张良也出来了，他要沛公赶快逃走，脱离这个险境，免得范增又节外生枝。沛公说：“我们出来没有跟项王辞行，怎么办呢？”樊哙说：“做大事不拘泥细微末节，行大礼不讲究小的谦让。眼下人家是刀和砧板，我们是鱼肉，还要告辞做什么。”于是，决定不辞而去，让张良留下对项王的盛情款待表示感谢。张良问沛公：“大王来时带了什么礼物？”沛公说：“我带来白壁一双，打算献给项王；玉斗一双，打算送给亚父。因为看到他们正在气头上，没有敢拿出来，请你替我送给他们吧！”张良说：“遵命！”当时，项王军驻扎鸿门，沛公军驻扎灞上，相距四十里。沛公留下所有带来的车马和随从，单身骑着马往灞上而去，樊哙、夏侯婴、靳强、纪信等四人手持剑和盾跟着在后步行，从骊山经芷阳（陕西长安县东）拣小路走。走时，沛公对张良说：“从这条路到我们军营，不过二十里，你要估计我们到了，再进去道谢。”沛公走后，张良估计他们已到军中，就走进惟帐去道谢：“沛公酒量有限，喝一点就醉了，不能亲自来辞行，特地叫我奉上白璧一双，拜献给大王；玉斗一双，拜送给大将军。”项王问：“沛公在哪里？”张良说：“沛公知道大王有意责备他，已经一个人脱身走了，现在已经回到军营。”项王接过白璧，放在坐的地方；亚父接过玉斗，摔在地上，拔出剑来将它砍得粉碎，恨恨地说：“唉！项庄这小子，不能和他共谋大事。将来夺取项王天下的，必然是沛公，我们这些人就要被他俘虏了。”这里范增明骂项庄，实在是暗恨项羽的优柔寡断。沛公到军营，立即杀了曹无伤。
过了几天，项羽领兵进入咸阳，大肆屠杀。杀死已降的秦王子婴，焚烧了秦朝宫室，大火三月不灭。他又搜括了秦的金银财宝，掳掠了宫娥彩女，然后领兵东回。有人向项王建议说：“关中山河险要，四周有关可守，土地肥沃富饶，适宜于建立国都，完成霸业。”项王看到秦的宫室被烧得残破不堪，自己又怀念家乡，一心东归，于是回答说：“富贵不归故乡，好比衣绣夜行，有哪一个知道呢？”那个提建议的人背后叹息说：“人家说楚国人就像沐猴而冠，的确如此。”这话传到项王耳里，项王一气之下，就把那个人烹杀了。
项王派人向怀王汇报请示。怀王说：“按照原来的约定办。”于是，项王尊怀王为义帝。项王打算自己称王，就先封各将相为王。项王对他们说：“初起兵时，为了讨伐暴秦，暂立原先诸侯的后裔为王。然而三年来，风餐露宿，冲锋陷阵，灭秦定天下的，都是各位将相和我项籍的功劳。义帝无功，应当分割他的土地，封大家为王。”那些将领都说：“好！”项王于是分割天下，立诸将领为侯、为王。封王的有十八个。项王和范增担心沛公占有天下，但既已和解，像鸿门之会那样能够杀他的机会又没有了，怕自己落个背约的名声，引起诸侯反叛，于是两人暗中商量：巴、蜀地区道路险要，秦朝犯罪而被迁徙的人都居住蜀地。根据这个情况，他们就扬言：巴、蜀也属于关中地区。这样，就立沛公为汉王，统辖巴、蜀、汉中一带，建都南郑（陕西汉中市）。并且把关中一分为三，封秦降将章邯等为王，以牵制汉王。项羽自立为西楚霸王，建都彭城，把义帝从彭城迁徙到长沙郡郴县。义帝起程以后，项羽又命人在路上将他杀害了。
项羽的分封，引起了一些握有重兵的将领的不满，那些被贬的或未封王的，更是怀恨在心，其中尤以刘邦、田荣、彭越、陈余四人最为突出。所以分封不久，握有重兵而未得封王的田荣，首先在齐地起兵反抗项羽。接着，刘邦乘机进兵关中。从此，刘邦和项羽展开了将近四年之久的楚汉战争。这场战争，说明秦亡以后，农民军从反秦斗争转化为农民军领袖之间争夺权力的斗争了。