当刘邦到达了咸阳城外的时候，此时天下的局势已经发生了巨大的变化。当初向北进军的项羽取代宋义成为了上将军，并且带领着部队击败了秦军，降服了章邯。随后各地诸侯都归顺了楚霸王项羽，即便是项羽声势浩大，但最终还是比刘邦晚了一步。刘邦成为了第一个到达咸阳城外的起义军领袖。
汉元年(前206年)十月，刘邦的军队先于各路诸侯军到达霸上。秦王子婴乘坐白色的车子，用丝绳系住脖子，封好皇帝印玺和符节，在道路旁投降。刘邦手下的将领有人劝刘邦诛杀秦王子婴。刘邦说：“当初怀王派我来，本来就是因为我能宽容。况且子婴现在已经投降了，还要杀掉他，这样做不吉利。”于是就没有杀掉子婴。
子婴虽然没有被杀，但他必须得搬出咸阳宫，给刘邦腾地方。刘邦从没见过如此豪华的咸阳宫殿，当下就决定在宫殿内享受享受。但得到了张良、樊哙的反对。刘邦听从了他们的建议，封存秦宫的珍宝和财物，撤军回到霸上驻扎。
刘邦在攻下咸阳之后，除了沉浸在喜悦之外，他还做了一件重要的事：他召集咸阳附近的百姓说：“各位深受秦朝的严苛法令已经很久了，在以前，批评朝政的要灭族，相聚交谈的要被杀掉弃市。当初，我和诸侯约定，谁先进入关中，谁就在这里称王。因此，我应当在关中称王。在这里，我和大家约法三章：杀人的人处死，伤人的按照法令来治罪，抢劫的人依据罪行治罪。除了这三条之外，其余的秦朝法令全部废除。”
“希望大家都能像以前一样安居乐业，我来到这里，就是要为大家铲除祸害，不会有欺凌施暴的行为，大家不要害怕，况且我现在回到霸上驻扎，就是为了等待诸侯一起前来制定法令。从而使大家像以前一样安居乐业。”于是刘邦派人巡视咸阳周围的各个县乡，将这些规定告诉百姓。秦地百姓都十分高兴，争相送来酒食犒劳将士。刘邦推辞不接受，对着前来送酒食的百姓说：“仓库的粮食充足，军队不缺少粮食，我不忍心让大家破费。”当地民众听说这件事后，更加高兴，都希望刘邦能够在关中称王。
关中的百姓受到秦苛政压迫已经很久了，等到刘邦进入关中后，废除了严苛繁琐的法令，只和百姓约法三章，大大放宽了百姓的活动范围。不仅如此，刘邦不准让士兵烧杀抢掠，此举使得关中的百姓生命财产得到了有效的保护。这些措施，使得关中地区迅速平稳，不至于发生动乱，不仅稳住了关中地区，而且还使得刘邦得到了关中百姓的民心。
有人劝刘邦说：“秦地非常富足，而且地形有优势。现在听说章邯已经投靠项羽，项羽还封了他当雍王，统治关中。他们马上就要过来了，如果过来，您怕是无法保住这里了。您应该赶快派兵守住函谷关，不要让诸侯的军队进入，不仅如此，还要征发关中的士兵来增强实力，抗拒诸侯军。”刘邦认为他说的很有道理，于是就派人守住函谷关。十一月，项羽率领军队，想要进入函谷关，却被阻拦。
刘邦的左司马曹无伤听说项羽很生气，于是派人对项羽说：“刘邦想在关中称王，让子婴做丞相，一个人独吞秦宫的珍宝。”他想以此来得到项羽的封赏。这时候，范增也劝项羽攻打刘邦。之后的故事在前面已经讲过。刘邦在和张良的帮助下，顺利在鸿门宴上解除了危机。在解除危机后，刘邦做的第一件事就是杀了曹无伤。
鸿门宴后，项羽进入咸阳城，肆意焚毁咸阳城和秦朝宫殿。项羽军队所经过之处，没有不被摧毁的。秦地的老百姓对于项羽非常失望。他没有给百姓带来和平，他带来的只是灾难。但因为害怕项羽，没有人不敢不服从项羽。
在进入咸阳后，项羽尊楚怀王为义帝，自己掌握分封大权，将天下分为十八个诸侯国。封自己为西楚霸王，定都彭城，把刘邦封为汉王，定都南郑。
分封完成之后，各路大军从咸阳撤退，分别回到自己的封国。汉王刘邦也率军回到自己的封国。由于刘邦在进入关中之后的举措十分得民心。所以在前往封国时，楚军和诸侯的将士因为仰慕刘邦而追随的多达几万人。汉军在离开之后就烧毁了沿途的栈道，一是为了防备诸侯和盗贼偷袭，二是为了向项羽表示没有东进之意。
在当时，巴蜀地区是偏远地区，刘邦的将领和士卒大多都来自东方，巴蜀之地远离故乡，因此在向西行进的途中，有很多将领和士卒不愿意远离故乡，因此在路上都悄悄逃跑了。韩信劝刘邦说：“项羽分封有功的将领为王，可是大王却被封到南郑，巴蜀自古就是偏远之地，这就相当于是流放。军吏和士兵都是山东(指的是函谷关)的人，日夜盼望能够回到家乡，如果此时利用他们的锐气，就可以建立大功。如果等到他们安定下来，那时候人们都安心了，就不能再利用他们了。不如现在就下令东进，和诸侯争夺天下。”
正当刘邦谋划东进时，项羽正在处理义帝，他派人将义帝迁徙到郴县，在迁徙的过程中，又命令英布袭击义帝，将他杀死在江南。虽然在南方杀死了义帝，但北方的齐国此时出现了变故，田荣杀死了项羽所立的齐王，自立为齐王，他还帮助彭越在梁地反叛。陈馀怨恨项羽没有封自己为王，于是向田荣借兵，攻打赵王张耳。
这些人的反叛，摧毁了项羽分封诸侯的初衷，这些人的反叛，使得天下又进入混乱之中。作为主持分封的项羽来说，他决不允许诸侯的反叛，于是，他亲自带兵向北进攻齐国。趁着项羽向北进攻齐国时，刘邦采用张良的计策，从新郑返回关中，打败章邯、司马欣、董翳，重新夺取汉中地区。
汉二年(前205年)，刘邦率军攻下河内，设置河内郡。在到达新城时，当地的一个名叫董公的老人拦住刘邦，告诉他义帝的死因。刘邦听说后，脱掉上身衣服大哭，为义帝举行葬礼，致哀三天。他派遣使者告诉诸侯说：“天下诸侯共同拥立义帝，都听从义帝的号令，现在项羽流放义帝，在江南杀害他，这是大逆不道。我亲自为义帝举行葬礼，诸侯都要身穿丧服。众诸侯都要调发军队，集结士兵，向南渡过长江和汉水，一起讨伐楚国杀害义帝的人。”
