刘邦很得意地进入了咸阳城，并以“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。妹夫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，刘邦将军队撤退到了灞上。
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，争夺做天下王的资格。等到了函谷关，见刘邦不但已经平定了关中，而且还派兵把守函谷关，不由得大怒，立即命令英布领兵攻下了函谷关，然后领兵四十万直奔咸阳，驻扎在了戏下（现在的陕西临潼东北的戏水西岸）。刘邦的属下曹无伤对刘邦很不满，为了得到更大的官职，他暗地里派人向项羽挑拨说：“沛公刘邦想在关中做王，然后让子婴做宰相，自己将秦的财物都纳入私囊。”项羽听了不禁火冒三丈，范曾也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。
于是，刘邦设盛宴招待项伯，还和他约定为亲家。他对项伯说：“我自从入关之后，没有敢占有丝毫财物，将吏民进行登记造册，把府库封存起来，就是等着将军来的。我之所以派兵把守函谷关，并不是阻止将军你们入关，而是更好地守好关中地区，也防止强盗入侵。我和将士们日夜都盼望将军你们能早点来，怎么会有造反之心呢？请您回去务必向项羽将军说明此事，消除误会。”项伯满口答应，然后对刘邦说：“将军你明天一定要到我们的营帐亲自向项羽说明情况，当面赔礼才能得到项羽的原谅。”刘邦听了也答应了。
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，刘邦如约来到了项羽的军营，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，在酒宴上，双方你来我往，项羽明里暗里杀机不断。项庄在席间借舞剑为名，想趁机刺杀刘邦，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。
鸿门宴之后，项羽便领兵西进，在咸阳城大肆屠杀，秦王子婴也被杀死，秦的宫殿阿房宫被项羽放火焚烧。火烧阿房宫后，项羽分封各路将军为王，共封了十九个诸侯王。刘邦被封为汉王，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）。项羽自己为西楚霸王，掌握军队最高统帅权，楚王被尊为义帝。
分封完后，项羽让大家到各自的诸侯国去就职，刘邦也只好到南郑去。项羽只分给了刘邦三万军队，后来又有一些人追随他到了南郑，但总兵力也不足十万，刘邦暂时还无法和项羽抗衡，只能坐待时机。为了消除项羽对他的猜疑，也为了断绝其他王侯从汉中袭击，张良建议刘邦将通向汉中的栈道烧毁了。