于是通过骑士引荐，郦食其见到了沛公。但刘邦在召见他时，正踞坐在床，令两女子给其洗脚。郦食大为满，长揖不拜，直接斥责道“您是想帮助秦国攻打诸侯呢，还是想率领诸侯灭掉秦国？”刘邦骂道“你个奴才相儒生！天下的人同受秦朝的苦已经很久了，所以诸侯们才陆续起兵反抗暴秦，你怎么说帮助秦国攻打诸侯呢？”郦生曰“如果您下决心聚合民众，召集义兵来推翻暴虐无道的秦王朝，那就不应该用这种倨慢不礼的态度来接见长者。”于是刘邦起身道歉，整理好后以礼接待了郦食其。
当时，郦食其有个弟弟名叫郦商，陈胜起兵时，他亦聚数千人响应。郦食其归汉，郦商率其部下约四千多人加入沛公队伍。
郦食其劝刘邦进攻陈留县，刘邦从其计，夺下陈留，得到大量补给。接着令郦商为将，进攻大梁县（今开封），未下。绕过西进，与秦将杨熊所率秦军大战于白马曲遇，大败秦军。秦将杨熊败走。
沛公军紧追其至白马，再次大破秦军，杨熊逃至荥阳，秦二世派使者斩杀杨熊。
消灭杨熊所部秦军后，沛公率军南下攻颖阳，屠之。而此时张良再次与刘邦相遇。之前，张良劝项梁立韩成为韩王，并随韩王成西至韩地略地。但是一年多来，所略之地每占辄失，始终没打开局面，因此游兵于颖川一带。
刘邦率军进至此，与张良的韩军合兵，攻轩辕（今登封市西北）略定韩地。赵别将司马卬欲渡河入关，刘邦率军北上，攻平阴，破坏渡口。南下与秦军再战洛阳东，不利，南下阳城，收取城中军马。与南阳守齮战于犨（今河南平顶山西南）东，大破南阳秦军。刘邦占领了南阳郡，南阳守退守宛城。
楚军想绕过宛城直接西进。张良劝道“沛公虽欲急入关，秦兵尚众，距险。今不下宛，宛从后击，强秦在前，此危道也。”于是刘邦在夜晚引兵还攻宛城，偃旗息鼓，天未明，就将宛城团团围住。南阳守于是想自杀，他的门客陈恢劝他不要先死，并出使楚营说“小臣听说足下曾与人相约先入咸阳者为王，现在足下在攻打宛城。宛郡有据点数十处，守卫的将士自以为投降会被处死，所以都登城固守。
足下如果整日强攻，双方伤亡定会很多，要是放弃攻宛而引兵向西，宛地的秦兵可能会尾追于后。足下攻宛则延误了先入咸阳者为王之约，足下弃宛则留下了后有追兵之患。小臣为足下着想，不如允许宛城守军投降，封郡守为侯，仍令他驻守原地，将他的兵力调出一并向西。前方还未攻下的城邑，定会闻风响应而迎接足下，足下便会顺利通行而无后顾之忧了。”于是双方约定后，南阳守投降，沛公封他为殷侯，封陈恢为千户。
刘邦率军继续西行，夺取了丹水（今淅川）。而高武侯鳃穰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，与沛公军联合，攻下析（今西峡县）郦等地。
刘邦所部楚军进至武关东。于是派魏人宁昌使秦，而这时章邯也投降了项羽。赵高杀秦二世，令使者还报刘邦，欲约分关中。
刘邦以为赵高为诈计，于是从张良之计，使郦食其陆贾游说武关（今陕西丹凤县武关镇）秦将投降，然后袭击武关秦将，夺取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商别将攻取了秦的汉中巴蜀等地。
接着汉军再在嶢下击败秦军，这样刘邦所部楚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队大战于蓝田，刘邦军大破秦军。这样秦朝失去了所有的抵抗力量。
汉元年十月，秦王子婴素车白马，系颈以组，在轵道（今陕西西安城区）旁，向刘邦献上了传国玉玺。秦朝至此灭亡，共立国15年零47天。
刘邦很得意地进入了咸阳城，以“关中王”自居。看着富丽堂皇的宫殿，刘邦有些留恋起来，准备就此住下，享受享受。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。
项羽在打败章邯，迫使他投降之后，也领兵直奔关中而来。范增劝他趁机除掉刘邦这个对手，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”了刘邦项伯和刘邦的谋士张良很要好，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，项羽的亚父范增，一直主张杀掉刘邦，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，没有成功。这就是成语“项庄舞剑，意在沛公”的由来。后来刘邦借故离开，回到了大营。
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