不过刘邦手下谋士众多，他们的意见刘邦一向都很重视。订好合约后，项羽东去，刘邦也准备西还。张良和陈平提醒刘邦，楚军现在兵士疲惫，粮草已绝，正是天要亡楚的大好时机，决不能纵虎归山。刘邦幡然醒悟，立即率兵追击楚军。汉王五年（公元前202年）十月，刘邦追上项羽，不过又被楚军打败了。而刘邦部下的韩信、彭越等手握重兵的大将，都不是很愿意出兵援助他。为了得到韩信、彭越的支持，刘邦采用张良的计策，派人通知二人，说只要他们合力击楚，打败项羽后，就封他们为齐王和梁王。韩信、彭越二人听了，马上积极配合出兵。原来叛离的一些诸侯也纷纷前来助战。到了十二月，汉军30万在垓下将楚军团团包围。四面楚歌响起，楚军心乱，逃离了不少。项羽兵尽粮绝，他见败局已定，就打算第二天与刘邦拼死一战。当晚，他在大帐中与爱妾虞姬饮酒作别，连心爱的坐骑乌骓马也牵到身边。项羽心中悲痛，慷慨放歌：“力拔山兮气盖世。时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何！虞兮虞兮奈若何！”虞姬悲不自胜，拔剑自刎。项羽率领800余部将浴血奋战，最终被迫在乌江边自刎身亡。楚汉相争，终于以刘邦的胜利而告终。
威加海内创立汉室
汉王五年（公元前202年）正月，刘邦兑现先前的承诺，封韩信为楚王，彭越为梁王。二王联合原来的燕王、赵王等共七个诸侯王一同上书，共尊刘邦为帝。刘邦假意推辞一番就应了下来。这年二月，55岁的刘邦在山东定陶正式称帝，定国号为汉，他就是汉高帝。接着，他下诏册封吕雉为皇后，吕雉之子刘盈为皇太子，并定都长安（今陕西西安），史称“西汉”。