劉邦很得意地進入了咸陽城，并以“關中王”自居。看著富麗堂皇的宮殿，劉邦有些留戀起來，準備就此住下，享受享受。妹夫樊噲勸他注意天下還沒有平定，別忘了秦的前車之鑒。劉邦根本聽不進去，直到張良親自來勸，他這才認識到了問題的嚴重性。于是，劉邦將軍隊撤退到了灞上。

劉邦到達灞上之后，便召集當地的名士，和他們約法三章：殺人者死，傷人及盜抵罪。其他秦朝的苛刻法制一律廢除，這使他得到了民心支持。

項羽在打敗章邯，迫使他投降之后，也領兵直奔關中而來，爭奪做天下王的資格。等到了函谷關，見劉邦不但已經平定了關中，而且還派兵把守函谷關，不由得大怒，立即命令英布領兵攻下了函谷關，然后領兵四十萬直奔咸陽，駐扎在了戲下(現在的陜西臨潼東北的戲水西岸)。劉邦的屬下曹無傷對劉邦很不滿，為了得到更大的官職，他暗地里派人向項羽挑撥說：“沛公劉邦想在關中做王，然后讓子嬰做宰相，自己將秦的財物都納入私囊。”項羽聽了不禁火冒三丈，范曾也勸他趁機除掉劉邦這個對手。項羽就下令準備，要在第二天進攻。這時的劉邦在兵力上無法和強大的項羽相抗衡，他只有十萬軍隊，不可能戰勝項羽的四十萬精兵。最后是項羽的叔叔項伯“救”了劉邦：項伯和劉邦的謀士張良很要好，見項羽要進攻了，便連夜潛入營中找到張良，讓他趕緊走，以免被殺。張良卻說不能丟下劉邦，就將消息透露給了劉邦。驚慌之下，劉邦趕忙向張良要計策，張良讓劉邦趕緊去見項伯，說明自己沒有野心和項羽爭奪王位。

于是，劉邦設盛宴招待項伯，還和他約定為親家。他對項伯說：“我自從入關之后，沒有敢占有絲毫財物，將吏民進行登記造冊，把府庫封存起來，就是等著將軍來的。我之所以派兵把守函谷關，并不是阻止將軍你們入關，而是更好地守好關中地區，也防止強盜入侵。我和將士們日夜都盼望將軍你們能早點來，怎么會有造反之心呢？

請您回去務必向項羽將軍說明此事，消除誤會。”項伯滿口答應，然后對劉邦說：“將軍你明天一定要到我們的營帳親自向項羽說明情況，當面賠禮才能得到項羽的原諒。”劉邦聽了也答應了。

項伯當天夜里就返回了軍營，他對項羽說：“因為沛公先行進入關中，為我們掃除了入關的障礙，我們這才能順利地通過函谷關，沛公是有功勞的人，我們不應該猜疑他，應該真誠相待。”項羽聽了，便決定不再進攻劉邦。

第二天，劉邦如約來到了項羽的軍營，只帶了樊噲、張良和一百名精銳親兵。到了項羽的大帳鴻門，當面向迎接他的項羽賠禮道歉。項羽請劉邦入內赴宴，在酒宴上，雙方你來我往，項羽明里暗里殺機不斷。項莊在席間借舞劍為名，想趁機刺殺劉邦，沒有成功。這就是成語“項莊舞劍，意在沛公”的由來。后來劉邦借故離開，回到了大營。

鴻門宴之后，項羽便領兵西進，在咸陽城大肆屠殺，秦王子嬰也被殺死，秦的宮殿阿房宮被項羽放火焚燒。火燒阿房宮后，項羽分封各路將軍為王，共封了十九個諸侯王。劉邦被封為漢王，領地是巴、蜀和漢中共四十一縣，國都為南鄭(現在的陜西南鄭)。項羽自己為西楚霸王，掌握軍隊最高統帥權，楚王被尊為義帝。

分封完后，項羽讓大家到各自的諸侯國去就職，劉邦也只好到南鄭去。項羽只分給了劉邦三萬軍隊，后來又有一些人追隨他到了南鄭，但總兵力也不足十萬，劉邦暫時還無法和項羽抗衡，只能坐待時機。為了消除項羽對他的猜疑，也為了斷絕其他王侯從漢中襲擊，張良建議劉邦將通向漢中的棧道燒毀了。