项羽见一计不成，又生一计，要和刘邦单挑，即二人单独决斗，一决胜负。刘邦没有上他的当，却说：“我和你只斗智，不斗勇。”接着骂项羽有十大罪状：“第一，你负前约，没有让我称王天下，而是称王蜀汉。第二，你杀死首领宋义，取而代之。第三，你救赵之后，本该息兵，却进军关中。第四，你火烧阿房宫，中饱私囊。第五，你杀死秦王子婴。第六，你坑杀秦的投降士卒20万。第七，你对诸侯王分封不公。第八，你将义帝赶出彭城，自己占为都城。第九，你暗害义帝。第十，你不但以臣杀主，政事也不公平。我现在率众将领来诛杀你这残忍的逆贼，何必非要和你单独决斗呢！”项羽听了，气得拉弓一箭射伤了刘邦的胸部。
楚汉双方又对阵了10个多月，因为有关中和蜀地的支援，刘邦逐渐占了上风，而项羽则兵源缺乏，粮草不足，难以和汉军抗衡。在侯公的撮合下，项羽和刘邦定下了停战协定：楚汉以鸿沟（今河南荥阳、中牟和开封一线）为分界线，东西分治。协定达成之后，项羽将刘邦的父亲和妻子送还。
项羽领兵东返，刘邦也打算领兵回关中。张良和陈平则极力劝说刘邦趁机灭掉项羽，因为这时项羽兵不精、粮不足，万一他回到彭城，等于是纵虎归山。刘邦听了赶紧命令追击，同时派人命韩信和彭越火速集结，合击项羽。
在公元前202年的十月，刘邦追上了项羽，但到了固陵（今河南太康西）时，韩信和彭越的军队还没有到达。项羽向汉军猛烈反击，将汉军击溃。刘邦只得坚守不出，问谋士张良有什么良策。张良说如果能封给韩信齐地，封给彭越梁地，那他们两个肯定会火速进兵的。刘邦马上派人许诺韩信和彭越，在击败项羽后立即封他们为齐王和梁王，韩信和彭越也很快有了回音：立即进兵。同时，楚的大司马周殷也被刘邦派人劝降，淮南王英布领兵也赶来会师。汉军会合各路援军共30万，和项羽决战垓下。夜里，围困项羽的汉军唱起了楚国苍凉的歌，使项羽以为汉军已占有全部楚地。走投无路的项羽在大帐中和心爱的虞姬饮酒，乘着酒力慷慨而歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”虞姬唱道：“汉兵已略地，四面楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生。”
虞姬当着项羽的面含泪自刎，项羽擦去眼泪，跃马率领800骑兵趁夜突围。第二天早晨，汉军才发现项羽已经突围而去，刘邦命令灌婴率骑兵火速追击。项羽在渡过淮河后，身边只剩下了100人，到达阴陵（今安徽定远西北）时，因为迷路走入大泽之中。从大泽出来后，项羽向东撤退，在东城（今安徽定远东南）被灌婴的骑兵追上。项羽随从只有28人了，和汉军激战三次，杀伤几百汉军后，项羽最后横剑自刎。至此，楚汉战争以项羽的失败而结束。
项羽虽然失败了，但给后人留下了丰富的文学素材，戏剧《霸王别姬》传唱千古，使人们对这个失败的英雄充满了同情和崇敬。
在公元前202年的正月，刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为越王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦开始假意推辞。韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就按你们说的办吧。”
这年的二月初三，刘邦在山东定陶汜水之阳举行登基大典，定国号为汉。同时，封妻子吕氏为皇后，儿子刘盈为太子。
开始时，刘邦将都城定在了洛阳。即位的同年五月，刘邦在洛阳的南宫开庆功宴，宴席上，他和众人总结楚汉战争胜败的经验教训。王陵等人说，刘邦之所以能战胜项羽，就是因为刘邦能与大家同甘苦，共患难，而项羽却自私自利。刘邦说他们说得有道理，但没有说到点子上。他总结了自己取胜的原因：“论运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我不如张良；论抚慰百姓，供应粮草，我又不如萧何；论领兵百万，决战沙场，百战百胜，我不如韩信。可是，我能做到知人善用，发挥他们的才干，这才是我们取胜的真正原因。至于项羽，他只有范增一个人可用，但又对他猜疑，这是他最后失败的原因。”刘邦的总结确实说对了，战争的胜败，人的因素总是最重要的。
后来，刘邦迁都长安是因为一个叫娄敬的士卒的提醒。他从山东赶来见刘邦，说刘邦得天下和先前的周朝不一样，所以不应该像周朝那样以洛阳为都城，应该定都关中，这样便可以在秦地固守险地，国家才能长治久安。
刘邦将他的意见说给众大臣讨论，但遭到许多人的反对，认为还是洛阳好。最后还是张良同意娄敬的建议。他说关中是“金城千里，天府之国”，退可守，攻可出。刘邦听了表示同意，于是很快将都城迁到了长安。
在政治制度和统治政策上，刘邦“汉承秦制”，即在规章制度上基本继承秦朝。当然，汉朝的统治政策也有一定的变化，主要是将原来秦朝的残酷刑法和严厉治国的思想改变了，用一种清净无为的黄老思想为治国的指导思想，体现在经济方面就是减轻百姓赋税的负担。
政治制度上，中央是三公九卿，地方是郡县制。除了郡县制外，还实行了封国制，即分封诸侯王到地方建立诸侯国和王国。最初，分封的是异姓王，如韩信等人，主要是为了团结众将，取得战争的胜利，到后来，只剩下了长沙王吴芮，其他的王基本上被杀。消灭了异姓王，刘邦又封了九个同姓王，都是他的儿子、侄子和兄弟。他觉得他们会巩固自己的刘姓政权。
分封同姓王的同时，刘邦还立下规矩来约束他们：诸侯王国的政治地位和郡相同，辅佐诸侯王的相国和太傅都要由中央政府来任命，是中央的官吏，不准依附诸侯王对抗中央，否则就要以“阿党附益”的罪名处罚。同时，还有侯国，地位和县相同，主要是封给建国功臣们的。
在法律方面的继承，主要是维护君主专制和中央集权方面的内容，其他针对百姓日常生活的酷法基本上废除了。汉朝的法律主要是《九章律》。
刘邦在称帝后设盛宴招待英布等大臣时，曾经对在场的父亲夸耀说：“原先您老经常说我是个不干活不读书的无赖，没有二哥能理家治业。如今我做了皇帝，您看现在是二哥的财富多，还是我的财富多呢？”其实他虽然做了皇帝，但从没敢对自己的皇位掉以轻心，在享受的同时他采取很多措施巩固自己的皇权。
刘邦称帝后对几件事不放心：第一个不放心的就是在各地的异姓王。他们都有兵将，有的还三心二意。第二个问题就是其他将领为功劳大小和赏赐的多少争斗不止，如果安抚不当，就会投奔那些异姓王作乱。第三是原先六国的后代也不能掉以轻心。第四是在中央，丞相的权力对他这个皇帝也构成了威胁。刘邦从做了皇帝，到最后病死，中间的8年时间，基本上都用在解决这些让他不放心的问题上。
在公元前201年，即高帝六年，有人告发韩信谋反。刘邦问怎么办，大家说发兵讨伐。但陈平却反对，他说楚国兵精粮足，韩信又善于用兵，发兵很难取胜。他建议刘邦以巡游云梦为借口，让各诸侯王都到陈县（今河南淮阳），到那时韩信一定会来，然后再抓他问罪。刘邦依计行事，果然将韩信抓住了。韩信听到对他的指控，大声喊冤：“古人说得果然不错：‘狡兔死，走狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’现在天下已经平定，我这样的人也早就该烹杀了。”刘邦将韩信押到了洛阳，但又没有明确的证据，便释放了他，但降成了淮阴侯。这使韩信怀恨在心。
第二年，韩信谋划让陈稀在外地反叛，使刘邦亲自前去平叛，然后自己在都城袭击太子和吕后。但事情还是败露了。吕后采用了萧何的主意，将韩信诱骗入宫抓捕，最后在长乐宫斩首，留下一个“成也萧何，败也萧何”的成语。
除了韩信，其他诸侯王如彭越等人也被消灭，只剩下了长沙王吴芮。
对于其他将领，刘邦也颇费心机。刘邦先是分封了萧何等20余人官职，但众将领因为互不服气，争功不止。一次，在洛阳南宫，刘邦看见众将坐在地上不知在说什么，问身边的张良怎么回事，张良说他们在谋反。刘邦问为什么，张良说怕刘邦以后不会封他们高官。刘邦又问怎么办，张良就问刘邦最恨的人是谁，刘邦说是雍齿，因为他虽然功劳多，但太张狂，自己曾经想将他杀掉。张良听了就让刘邦封雍齿为侯，这样，大家就觉得被刘邦记恨的雍齿都能受封，他们就更不用着急了。于是，刘邦大摆庆功宴，封雍齿为什方侯，还当场命丞相和御史抓紧时间草拟论功行赏分封的名单。张良的计策果然奏效，众将的心都安定了。
对于六国的后裔，刘邦则将他们和地方的名门望族共十几万人全部迁到关中居住，置于中央控制之下，消除了后顾之忧。
关于丞相的权力过大，刘邦通过把萧何下狱来打击削弱相权。在刘邦平定了英布叛乱回到长安后，萧何提议把上林苑开放，让百姓去耕种，因为上林苑基本上已经荒芜。刘邦一听就恼了，硬说萧何拿了商人的贿赂，所以才替他们说话，借百姓之名为商人牟利。刘邦将萧何关进了监狱，几天后，有大臣问丞相犯了什么罪，刘邦却为自己狡辩说：“原先李斯做秦国的丞相，凡是功劳都归始皇，不好的事都由自己承担。但现在丞相萧何却接受了商人的贿赂，替他们说好话，请求我开放上林苑，显然他是在收买人心。因此我要治他的罪。”通过打击元老功臣萧何和削弱相权的办法将皇帝的权力提高了。
在巩固强化皇权方面，刘邦也是想尽了办法，一是尊父亲太公为太上皇，二是对季布和丁公的处理。这两件事最终达到了他的目的。
刘邦通过尊重父亲来教育大臣和百姓遵循礼法，尊重长辈，效忠君主。刘邦和父亲太公在一起住，为了向大家表示他孝顺，每五天就去拜见一次。太公觉得没什么，也习惯了。但太公的属官却觉得不合适，就劝太公说：“俗话说，天无二日，地无二主，当今皇帝是您的儿子，但他也是人主。您虽是他的父亲，但却是他的大臣。让他这个主人拜见您这个大臣，不合礼仪。况且这样也显不出皇帝的威严。”
等刘邦再拜见父亲时，太公就提前拿着扫帚出门相迎，然后倒退着进屋，不给刘邦行礼的机会。刘邦很吃惊，跳下车去搀扶父亲。太公赶忙说：“皇帝贵为人主，不能因为我一个人破坏了国家的礼法。”刘邦便下诏书，尊太公为太上皇，这样一举两得，不但明示了皇帝的尊严，他也可以顺理成章地拜见父亲了。
第二件事是对季布和丁公的处理。在刘邦和项羽争天下时，他们俩都是项羽手下的大将。季布领兵几次将刘邦打败，丁公也领兵追击过刘邦，但最后放过了他。刘邦做皇帝后，记恨季布打败过自己，就把他抓了起来。但想到自己也需要他这样的忠臣来辅佐，就不再记仇，不但放了他，还封为郎中。丁公听说了，就觉得连季布这样给过刘邦难堪的人都能释放做官，他这个曾偷偷放走刘邦的救命恩人就更不用说了。没想到，却被刘邦抓起来。刘邦对众人说：“丁公做项羽的将领时不忠，就是他这种人使项王丧失了天下。”刘邦下令处死了丁公，还在军中示众，警示大家要做忠臣，不要学丁公。
做了皇帝，为了皇权的巩固，刘邦费尽心机。本来他年龄就大，在平定英布叛乱时又中了箭伤，到了长安病情加重，从此一病不起。吕后找来名医，诊断后，刘邦询问病情，医生神情黯然地说能治好，刘邦一听口气，就知道不会好了，气得大骂医生：“我原来只是一个百姓，手提三尺剑得到天下，此乃天命。现在天要我死，就是神医扁鹊来了也没有用！”说完赏赐给医生五十金打发他走了。吕后看着弥留中的刘邦，问他死后人事的安排：“萧相国死后，由谁来接替呢？”刘邦说曹参。吕后问曹参之后是谁，刘邦说：“王陵可以在曹参之后接任，但王陵智谋不足，可以由陈平辅佐。陈平虽然有智谋，但不能决断大事。周勃虽然不擅言谈，但为人忠厚，日后安定刘氏江山为国立功的肯定是他，用他做太尉吧。”吕后又追问以后怎么办，刘邦有气无力地说：“以后的事你就不会知道了。”
刘邦死于公元前195年，即高帝十二年的4月25日。时年62岁（虚岁），葬于长陵，谥号为高皇帝，庙号是太祖。一般也称为汉高祖刘邦。