项羽在救赵消灭秦军主力后，也率军向关中进发。
汉王元年十二月，他来到函谷关。一见关门紧闭，又听说刘邦已平定关中，项羽大怒，当即命当阳君英布攻破函谷关，接着率40万大军开到戏下（今陕西临潼东北戏水西岸）。
这时，刘邦的左司马曹无伤听说项羽正发怒，为了求封，就暗中派人向项羽告状说：“沛公欲王关中，让子婴做相国，把秦的珍宝都据为己有。”
项羽一听，更是火上加油，加之谋士范增也劝项羽赶快除掉刘邦，因此他下令犒劳士兵，明天一早就向刘邦进攻。刘邦当时只有10万人，在兵力上完全处于劣势。
在大难就要临头之际，刘邦却来了救星。这个救星就是项羽的叔叔项伯。
项伯和刘邦的谋臣张良交往甚密，张良曾救过他的命。他听说项羽马上就要向刘邦进攻，连夜驰入刘邦军中，想把张良带走。
张良却对他说：“沛公有大难，我作为谋臣不能一声不吭就走，要走也得把这个事情告诉他。”
刘邦听了大惊，要张良赶快考虑对策。
张良说：“你现在应亲自去对项伯说明，你不敢背叛项王。”
刘邦对项伯以好酒招待，并约为儿女亲家，然后说：“我入关后，秋毫不敢所取，登记吏民，封存府库，以等待将军（指项羽）。所以遣将守关。是为防备盗贼和其他意外。我日夜盼望将军到来，怎么敢反叛呢！希望您能替我向将军说明这个情况。”
项伯答应，对刘邦说：“你明天拂晓定要亲自去对项王赔礼。”刘邦答应后，项伯即连夜返回，把刘邦的话全部告诉了项羽，并劝告项羽说：“沛公不先破关中，你能顺利入关吗？人家有大功，不该这样对待，还是好好相待才是。”项羽表示同意，取消了进攻计划。
第二天一早，刘邦率张良、樊哙和一百多个骑兵来到项羽的营帐鸿门，向项羽赔礼。项羽宴请刘邦，席上明争暗斗，剑拔弩张，演出了历史上著名的“鸿门宴”。
鸿门宴后，项羽即率兵西屠咸阳，杀秦王子婴，烧秦宫室，掳掠财物妇女，然后东归。
到汉王元年（公元前206年）二月，他以最高统帅的身份，尊怀王为义帝，立诸将为王、侯。诸侯王共分封了19个：项羽自立为西楚霸王，管辖梁、楚九郡，都彭城，立刘邦为汉王，管辖巴、蜀、汉中41县，都南郑（今陕西南郑）。
四月，项羽遣诸侯各自就国。刘邦没有办法，也只好前往南郑。项羽当时只给了他3万士兵，加上自愿随从的几万人，也不到10万人。
为了防备其他诸侯的袭击，也为了向项羽表示不再东出争夺天下，刘邦接受张良建议，把通往汉中的栈道烧了。这样，从陈胜开始反秦到秦灭亡，长达三年的战乱暂时平息。
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