刘邦率部退到荥阳，一路收集败兵，并派韩信于萧索之间击败了楚追兵，得以喘息，稳住了阵脚，遂重整军队，依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。
一直负隅顽抗的章邯终于兵败自杀，刘邦完全解除了后顾之忧；且在逃往荥阳前便派人说服英布反楚，联络彭越扰楚后方。
派韩信开辟北方战场，攻魏俘魏王豹，破代，灭赵杀陈余。项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，争取时间乘机逃出荥阳。项羽加紧围攻荥阳，并夺取成皋。
为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛叶，想引诱项羽南下。为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳。项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。项羽以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。
刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻睢阳县、外黄县等地，再次迫使项羽回救。刘邦用计再次收复成皋，斩杀了项羽大将曹咎。
项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项羽腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。
楚、汉订盟后，刘邦本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。两军战于固陵，项羽小胜。刘邦以封赏笼络韩信、彭越、黥布等，垓下一战重创楚军。
刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计七十万人与十万久战疲劳的楚军于垓下展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。
韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军先诈败，信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后部步军。楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑士分割两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。
后楚军退入壁垒坚守，被汉军重重包围。楚军兵疲食尽。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“人心都向楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头！”。
致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽只有率八百余人突围至乌江，这时项羽身边只剩下二十八骑了，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。项羽带着二十八骑大战汉军，最后全军覆没，项羽不愿被俘受辱，于是在乌江自刭而死。
所以才有一首诗“生当作人杰，死亦为鬼雄。至今思项羽，不肯过江东”。
听到这儿，宇泰但是有点觉得相比之下，项羽似乎更英雄一点，反观刘邦的一些行为做法，好像更小人一些。不过这些也都不重要了，后人更看重的是谁成功，谁坐在那个位置上！
刘邦于是还至定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳。
刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为梁王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。
刘邦开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就按你们说的办吧。”
刘邦在山东定陶汜水之阳举行登基大典，定国号为汉，是为汉高帝。刘邦即皇帝位后，王后吕雉改称皇后，太子刘盈称皇太子。刘邦最初定都洛阳，后根据戍卒娄敬的建议，定都咸阳以东的长安，取长治久安之意。开基肇始，史称西汉。
刘邦建国称帝时已过半百，步入晚年变得日益猜忌一起打天下的功臣们，特别是那些异姓王们。结果臧荼、张敖、韩王信、彭越、韩信、英布等先后被废杀，英布还起兵反了，刘邦抱病亲征才平了他。之后其封国则转入刘氏子孙手中。只有吴芮的长沙国幸免。
高祖十二年，刘邦曾杀白马为盟，订下誓约：“非刘氏而王者，天下共击之。”这就是历史上的“白马之盟”。
不仅如此，他还对萧何起了疑心。逼得他设法自污声名以绎帝之疑，最后也差点不得善终。其逝前还打算杀了忠直的樊哙，因他同是吕氏之婿，担心他助吕作乱。后因陈平的保护及刘邦驾崩才躲过一劫。
刘邦晚年宠爱戚姬及其子赵王如意，疏远吕后，几次想废黜吕后所生的太子刘盈而立刘如意。但因大臣反对，只好作罢。为了皇权的巩固，刘邦费尽心机。
本来他年龄就大，在平定英布叛乱时又中了箭伤，到了长安病情加重。吕后找来名医，刘邦问他病情，医生说能治，刘邦一听口气，就知道不会好了，气得大骂医生：“以布衣提三尺剑取天下，此非天命乎？命乃在天，虽扁鹊何益！”说完赏赐给医生五十金打发他走了。
吕后看着弥留中的刘邦，问他死后人事的安排：“萧相国死后，由谁来接替呢？”刘邦说曹参。吕后问曹参之后是谁，刘邦说：“王陵可以在曹参之后接任，但王陵智谋不足，可以由陈平辅佐。
陈平虽然有智谋，但不能决断大事。周勃虽然不擅言谈，但为人忠厚，日后安定刘氏江山肯定是他，用他做太尉吧。”吕后又追问以后怎么办，刘邦有气无力地说：“以后的事你也不会知道了。”
汉高祖十二年四月二十五日，刘邦崩于长乐宫，享年六十二或五十三。葬于长陵，谥号高皇帝，庙号太祖。
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