项羽原是楚国的旧贵族。公元前209年9月，他跟叔父项梁，响应陈胜、吴广起义，杀死会稽太守，在吴（江苏苏州）举行起义，队伍发展到8000余人。刘邦早年做过沛县亭长，在萧何、曹参等人支持下，杀死沛令，自立为沛公，集聚了起义者3000多人。陈胜、吴广的主力军失败后，部下召平渡江与项梁取得联系，用陈胜的名义拜项梁为楚王上柱国。项梁率领8000人渡江，和陈婴、英布等人起义军会合，到下邳时队伍发展到7万人。不久，吕臣的义军和刘邦的队伍也前来会合。项梁等人为了号召群众，共立楚怀王的孙子心为楚王，仍号楚怀王。
公元前208年，在东阿（今山东阳谷东北）交战，打败秦军，接着转攻定陶（今山东定陶）又取得胜利。项羽和刘邦率领的另一支起义军也连破秦军于雍丘（河南杞县），斩秦将朱由。项梁被胜利冲昏头脑，放松了戒备。秦将章邯夜袭定陶，项梁战死。
章邯得胜之后，又击破魏、齐等割据势力，然后渡黄河北上击赵，大破赵军于邯郸。接着，他以重兵包围巨鹿（今河北平乡县）。楚怀王派宋义为上将军，项羽为次将，率7万人救赵。宋义到安阳（今山东曹县东）后，饮酒作乐，46天未进兵。项羽愤杀宋义，率义军渡河破章邯军。项羽令义军“破釜沉舟”，每人只带3天口粮，表示决一死战。项羽军渡河后，先打败章邯的军队，又进攻王离的军队。双方在巨鹿大战9天。农民起义军英勇杀敌，每个战士无不以一当十，喊杀声惊天动地，使秦军惊恐万状，王离被俘，农民军取得重大胜利。巨鹿之战基本摧毁了秦军的主力军，扭转了整个战局。章邯走投无路，率20万秦军投降了项羽。
正当项羽北上救赵时，刘邦带领一支起义军西向击秦。由于秦兵在黄河以南较少，刘邦又采取了避实击虚的战略，迂回曲折地向咸阳进军。公元前207年8月，大破武关，进兵蓝田，取得节节胜利。这时，秦朝统治集团内部矛盾尖锐化。
赵高杀死秦二世，立子婴为秦王。子婴又杀赵高。刘邦率军直扑咸阳，驻兵灞上（今西安市南）。秦子婴无可奈何，捧着玉玺，向农民军投降。公元前206年，秦王朝的统治结束了。
刘邦攻占咸阳后，想住在这里。樊哙劝他想得天下，就不要留恋宫中美色财宝。刘邦接受他的意见，还军灞上，刘邦废除秦的苛法，又约法三章：“杀人者死，伤人及盗抵罪。”深得秦人拥护。
项羽听说刘邦先入关中，非常愤怒，率军攻破函谷关，杀奔咸阳而来。公元前206年12月，项羽军队40万驻扎新丰（今陕西临潼县东北）鸿门（今临潼县东项王营）。当时，刘邦军队只有10万人，实力不敌项羽。他听从张良的意见，亲自去鸿门拜会项羽。刘邦向项羽故意请罪，卑辞言好。项羽设宴招待刘邦。项羽的谋士范增想乘机杀掉刘邦，就找项庄（项羽从弟，勇士），以表演剑舞，伺机行刺。项羽的叔父项伯从前和张良关系好，这时见势不妙，也拔剑伴舞，掩护刘邦。过了一会，刘邦借口上厕所，从小道回到灞上。
“鸿门宴”后，项羽带兵进入咸阳，杀掉秦王子婴，烧毁秦的宫殿，自立为西楚霸王。他又封刘邦为汉王，居巴蜀汉中，三分关中。项羽自以为天下无敌，从此可以长做霸主了，于是就带着从咸阳宫中掠来的财宝、美女，回到彭城享富贵去了。
项羽分封诸侯，搞“任人唯亲”，这一措施不但不能收拾残局，反而加剧了分裂。不久，齐将田荣最先起兵反对项羽，自立为齐王。彭越在梁地有1万多士兵，未得分地，对项羽怨恨，田荣也联合彭越。陈余对张耳被封常山王不服，联合田荣赶走张耳，做代王。诸侯混战再次爆发。
被项羽逼处巴蜀汉中一隅的刘邦，采纳萧何的策略，在汉中招揽人才，治理巴蜀作根据地。公元前206年五月，项羽前去攻打田荣。刘邦趁机出兵，1月内占领全部关中。接着向东挺进，直捣项羽的老窝彭城。楚汉战争爆发了。
公元前206年至公元前202年，刘邦和项羽苦战了五年，大战70余次，小战40余次。刘邦在一再失败之后，逐渐转为优势。项羽曾一度提出和刘邦“中分天下”，以鸿沟（今河南贾鲁河）为界，河东属于楚，河西属于汉（象棋盘上的“楚河汉界”由此而来）。
公元前203年底，刘邦汇合诸将，合围项羽于垓下（今安徽灵璧县东南），项羽粮食吃光，援兵断绝。在寒冬的一个夜晚，项羽被围在一个山头，看到战场上旌旗遍野，鼓角齐鸣。项羽在四面楚歌中知道军心涣散，大势已去，爱妾虞姬为不连累项羽，横剑自刎，项羽连夜夺路突围。天亮以后，刘邦闻讯，立即派5千骑兵追赶。项羽渡过淮河，只剩100多人。汉军追上，杀得项羽只剩28个残兵了。项羽跑到乌江边上，见前面茫茫乌江，后面滚滚追兵，走投无路，拔剑自刎。
公元前202年6月，刘邦统一中国，建立汉朝。刘邦即皇帝位（即汉高祖）。
楚汉之争是由秦末农民战争直接演变而来的，但性质却截然不同。在当时的社会条件下，农民战争虽然胜利地推翻了旧的封建王朝，但曾经是农民战争领袖的刘邦和项羽，却不得不走封建统治的老路，遂转变为封建统治权的角逐者。在这场角逐中，项羽具有强烈的旧贵族意识，不善于用人，不能重建统一王朝。刘邦知人善任，因势利导，终于战胜了项羽，登上了西汉皇帝的宝座。