刘邦率军继续西行，夺取了丹水（今河南淅川）。而高武侯鳃、襄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，与刘邦军联合，攻下析（今西峡县）、郦等地。

刘邦所部楚军进兵至武关东面，于是派魏人宁昌出使秦廷，而这时章邯也投降了项羽。秦丞相赵高弑杀秦二世，令使者回报刘邦，想要和刘邦约定平分关中。刘邦认为赵高在使诈，于是听从张良之计，让郦食其、陆贾劝降武关（今陕西丹凤县武关镇）秦将，趁此机会袭取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取秦的汉中、巴、蜀等地。接着刘邦军再在峣下击败秦军，进至秦都咸阳附近的蓝田。秦廷在组织了最后的力量，与刘邦军大战于蓝田，遭遇大败。此后，秦朝失去了所有的抵抗力量。

秦二世三年（前207年）十月，刘邦的军队先于各路诸侯到达灞上。秦王子婴乘素车、驾白马，用丝带系颈，手捧着皇帝的玉玺符节，在轵道旁投降。秦朝至此灭亡。

约法三章

刘邦进入了咸阳后，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋，准备就此住下。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。

鸿门之宴

这时，项羽在击败章邯后，也领兵直奔关中而来。范增劝他趁机除掉刘邦，项羽就下令准备，要在第二天进攻。这时的刘邦在兵力上无法和强大的项羽相抗衡，他只有十万军队，不可能战胜项羽的四十万精兵。最后是项羽的叔叔项伯“救”了刘邦：项伯和张良很要好，见项羽要进攻了，便连夜潜入营中找到张良，让他赶紧走，以免被杀。张良却说不能丢下刘邦，就将消息透露给了刘邦。惊慌之下，刘邦赶忙向张良要计策，张良让刘邦赶紧去见项伯，说明自己没有野心和项羽争夺王位。

刘邦依计约到项伯，说明自己并无称王野心，并于项伯约成儿女亲家。项伯当天夜里就返回了军营，他对项羽说：“因为沛公先行进入关中，为我们扫除了入关的障碍，我们这才能顺利地通过函谷关，沛公是有功劳的人，我们不应该猜疑他，应该真诚相待。”项羽听了，便决定不再进攻刘邦。

第二天，刘邦来到了项羽的军营，只带了樊哙、张良和一百名精锐亲兵。到了项羽的大帐鸿门，当面向迎接他的项羽赔礼道歉。项羽请刘邦入内赴宴，范增在酒宴上，一再示意项羽发令，但项羽却犹豫不决，默然不应。范增召项庄舞剑为酒宴助兴，趁机杀掉刘邦，项伯为保护刘邦，也拔剑起舞，掩护了刘邦，项庄的刺杀没有成功。后来刘邦借故离开，回到了大营。