起兵反秦先入关中
在公元前209年，秦末农民起义爆发，陈胜、吴广率领起义军攻占了陈州（现在河南淮阳）以后，陈胜建立了“张楚”政权，和秦朝公开对立。这时，沛的县令也想响应来继续掌握沛郡政权，萧何和曹参当时都是县令手下的主要官吏，他们劝县令将本县流亡在外的人召集回来，一来可以增加力量，二来也可以杜绝后患。县令觉得有理，便让的挚友樊哙把找回来，便带人往回赶。这边的县令却又后悔了，害怕回来不好控制，弄不好还会被所杀，等于是引狼入室。所以，他命令将城门关闭，还准备捉拿萧何和曹参。萧何和曹参闻讯赶忙逃到了城外，将信射进城中，鼓动城中的百姓起来杀掉出尔反尔的县令，大家一起保卫家乡。百姓对平时就不太体恤他们的县令很不满，杀了县令后开城门迎进，又推举他为沛公，领导大家起事。便顺从民意，设祭坛，立赤旗，自称赤帝的儿子，领导民众举起了反秦大旗。这一年已经是前209年10月，已经有48岁了。秦末农民战争中还有一支强大的力量，这就是原来楚国贵族的后代项籍（即项羽项羽名籍）和叔父项梁，他们在吴中（现在江苏的苏州市）起兵，兵力很快达到了近万人。在项梁死后，项羽决定和一起西进关中。
开始时，也不太顺利，但经过几次战役，步步西进，大破秦兵。
公元前207年12月，率大军到达了咸阳东边不远处的灞上（今陕西省西安市东），秦王子婴见大势已去，只得献城投降，将传国玉玺亲手交给了，秦国至此灭亡，共立国15年零47天。
立足关中鸿门脱险
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，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。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，将军队撤退到了灞上。
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。范增劝他趁机除掉这个对手，项羽就下令准备，要在第二天进攻。这时的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：项伯和的谋士张良很要好，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，就将消息透露给了。惊慌之下，赶忙向张良要计策，张良让赶紧去见项伯，说明自己没有野心和项羽争夺王位。
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。
第二天，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。项羽请入内赴宴，项羽的亚父范增，一直主张杀掉，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，项伯为保护，也拔剑起舞，掩护了，没有成功。这就是成语“项庄舞剑，意在沛公”的由来。后来借故离开，回到了大营。
在鸿门宴上，表现出了极高的沉着与冷静。能够全身而退，除了张良、项伯、樊哙的力保之外，关键是的冷静与沉着。
鸿门宴之后，项羽便领兵西进，分封各路将军为王，被封为汉王，领地是巴、蜀和汉中共四十一县，国都为南郑（现在的陕西南郑）。项羽自己称为西楚霸王，掌握军队最高统帅权。楚怀王熊心被尊为义帝。
暗度陈仓还定三秦
公元前207年12月，灭秦后在关中称王。公元前206年1月，项籍挥军破函谷关，想消灭军。自知不敌，亲赴鸿门（今陕西临潼东北）谢罪。不久，项籍入咸阳，烧阿房宫、杀秦王子