陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃荥。项羽加围攻荥，并夺取成皋。

为了减轻楚军对荥的压力，刘率军经武关、宛(今河南南)、叶(今叶县南)，想引诱项羽南下。为合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥。彭越正在攻下邳(今江苏邳县南)。项羽被迫率军回救，刘乘机收复成皋。六月，项羽以凌厉攻势荥，再夺成皋。

刘一面命汉军在巩县一带守，阻击楚军前，一面命韩信组建新军击齐，派人楚腹地协助彭越攻雎(今河南商丘南)、外黄等地，再次迫使项羽回救。四年十月，刘用计再次收复成皋。

项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武(今荥北)与刘形成对峙。不久，韩信在潍之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派婴率军一直奔彭城。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。九月，项羽引兵东归。

楚、汉订盟后，刘本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。五年十月，两军战于固陵(今淮西北)，项羽小胜。刘以封赏笼络韩信、彭越、黥布等，垓下一战重创楚军，项羽自刎于乌江(今安徽和县境)，终于结束了为期四年的楚汉战争。

九里山之围

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五年十二月，刘、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计70万人与10万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，刘率跟，将军周断后。韩信挥军攻，首战失利，前军被项羽率楚军骑士击败，信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后步军。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，汉军亦伤亡十几万。后楚军退垒守，被汉军重重包围。楚军兵疲尽。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”致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽率800人突围逃至东城自刭而死。刘于是还至定陶，驰韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳(今江苏邳县东)。

称帝建汉迁都长安

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在公元前202年的正月，刘兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为越王。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，请他即位称帝。刘开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然贫寒，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。”刘顺推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就你们说的办吧。”

公元前202年二月初三，刘在山东定陶汜之举行登极大典，定国号为汉。

即位的同年五月，刘在洛的南开庆功宴，宴席上，他总结了自己取胜的原因：“论运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我不如张良；论抚百姓供应粮草，我又不如萧何；论领兵百万，决战沙场，百战百胜，我不如韩信。可是，我能到知人善用，发挥他们的才，这才是我们取胜的真正原因。至于项羽，他只有范增一个人可用，但又对他猜疑，这是他最后失败的原因。”刘的总结确实说对了，战争的胜败，人的因素总是最重要的。

后来，刘迁都长安是因为一个叫娄敬的士卒的提醒，娄敬从山东赶来见刘，说刘得天下和先前的周朝不一样，所以不应该像周朝那样以洛为都城，应该到关中定都，这样便可以在秦地固守险地，国家才能长治久安。张良同意娄敬的建议，他说关中是“金城千里，天府之国”，退可守，攻可。刘听了表示同意，于是很快将都城迁到了长安。