刘邦返回后几天后，项羽率军进入咸阳屠城，杀掉秦国降王子婴，烧毁秦国宫室，所经过的地方全部化为灰烬，秦国百姓大失所望。
项羽派人报告楚怀王，楚怀王说：“按照原先的约定执行。”
项羽怨恨当初楚怀王不肯命令自己和刘邦一起向西入关，而是命令自己救援赵国，所以才后来入关，就对外扬言说：“楚怀王本来就是我们项家所立的，没有一丁点征伐之功，他有什么资格订立盟约！平定天下的，本来只是诸将和我项籍。”
这年春正月，项羽表面上尊奉楚怀王为义帝，实际上根本不听从他的命令。
二月，项羽自立为西楚霸王，领有梁地、楚地九郡，都城在彭城。他违背当初的约定，改立刘邦为汉王，领地在巴、蜀、汉中四十一县，都城在南郑。下令三分关中，封秦国三名降将为王：封章邯为雍王，都城在废丘；司马欣为塞王，都城在栎阳；董翳为翟（音 dí，狄）王，都城在高奴。楚将瑕丘人申阳为河南王，都城在洛阳。赵将司马昂为殷王，都城在朝歌。当阳君英布为九江王，都城在六县。楚怀王的柱国共敖为临江王，都城在江陵。番君吴芮为衡山王，都城在朱县。原齐王田建的孙子田安为济北王。迁徙魏王豹为西魏王，都城在平阳。迁徙燕王韩广为辽东王，燕将臧荼为燕王，都城在蓟县。迁徙齐王田巿为胶东王，齐将田都为齐王，都城在临淄。迁徙赵王歇为代王，赵国相国张耳为常山王。
刘邦怨恨项羽违背约定，想要起兵进攻项羽，被丞相萧何劝阻，这才打消了念头。
夏四月份，各路诸侯从戏下撤军，回到各自封国，中国历史上一份全新的政治版图产生了。项羽给刘邦派了三万名军卒，但楚军和诸侯主动跟随刘邦前往的达数万人，他们从杜县往南进入交通闭塞的深山荒谷中。张良向刘邦告辞返回韩国，张良一直送刘邦到褒中，临行前建议刘邦通过后烧毁原有的栈道，以防备诸侯军兵随后追袭，也向项羽展示不东回关中的决心。
刘邦来到南郑后，诸将和士卒者通过唱歌表达思盼东归之心，其中有很大部分在路上就逃亡返回了。韩信担任治粟都尉，也选择逃亡离开，萧何把韩信追回，并竭力向刘邦推荐韩信。他对刘邦说：“大王如果真想争夺天下，没有韩信之计，根本不能成就大事。”
刘邦命人设立坛场，自己则斋戒沐浴，拜韩信为大将军，然后向韩信问计。韩信回答说：“项羽违背约定，把大王封到南郑为王，这实际上是贬迁。我们的官吏士卒全部是山东之人，他们日夜期盼马上东归，其锋芒可以利用，可以建立大功。如果天下平定，百姓全部安宁了，这些人就不能再使用。我看不如定下决策东归。”
韩信向刘邦陈述项羽可以图谋、三秦容易吞并的计策，刘邦听完后大喜，马上采纳了韩信的计策，让他统领部署诸将，留下萧何负责收取巴、蜀的租赋，确保军队粮食供给。
五月，刘邦率军从原陈仓故道出兵袭击雍城。雍王章邯率军迎击，兵败后退走；接着双方再次大战于好畤，章邯仍然大败，只好退往废丘。刘邦随后平定雍地，向东进攻咸阳，分兵在废丘围困住章邯，派遣诸将攻略其他地区。
田荣听说项羽迁徙齐王田巿为胶东王后改立田都为齐王，顿时大怒，率军进攻田都，田都败退后降楚。六月，田荣杀掉田巿后自立为齐王。这时彭越屯兵在巨野，手下有一万多部众，没有归属。田荣派人送给彭越将军印，命令他在梁地造反。彭越进攻并杀掉济北王田安，田荣随后吞并三齐之地。燕王韩广也不肯迁徙往辽东。秋八月，臧荼杀掉韩广，吞并其地。塞王司马欣和翟王董翳投降了汉军。
当初时，项梁立韩国的后人、公子成为韩王，张良为韩囯司徒。项羽因为张良跟随刘邦，韩王成又没有立功，所以没有派遣他回到封国，带他一起到达彭城，然后派人杀掉。项羽听说刘邦吞并关中，齐国和梁国起兵反叛，冲冲大怒，就任命原吴县县令郑昌为韩王，抗拒汉军，派将军萧公角进攻彭越，结果被彭越击败。
这时张良正在攻略韩国的土地，派人送给项羽书信说：“汉王只是想得到关中，履行原来的约定后立即停止进军，不敢再向东进攻。”项羽这才取消了向西进攻的想法，转而向北进攻齐国。
九月，刘邦派遣将军薛欧和王吸兵出武关，和王陵所部会合，打算从沛县把刘太公和吕稚接到南阳。项羽听说后，派人在阳夏截击，王陵无法前进。
汉二年冬十月，项羽指使九江王英布在郴县杀掉义帝。陈余怨恨项羽不封自己为王，就从田荣那里借来军兵，进攻常山王张耳。张耳战败后投降刘邦，刘邦给予厚遇。陈余迎接代王赵歇返回赵国，赵王歇立陈余为代王。张良从韩国偷偷地来到汉军中，刘邦封张良为成信侯。
刘邦率军出武关到达陕县，抚慰关外的父老乡亲。河南王申阳投降，刘邦把其封地设置为河南郡。刘邦派韩国太尉韩信进攻韩国，韩王郑昌投降。十一月，刘邦封信为韩王。刘邦返回关中，定都栎阳，派诸将攻城略地，攻克陇西。刘邦下达命令，率领一万人或者献出一郡之地降汉的，马上封万户侯。派人重新修筑河上郡要塞。原先秦国专供帝王游玩打猎的园林，也都允许人们前往耕种。
春正月，项羽在城阳进攻田荣，田荣败逃到平原，被当地的百姓杀掉。齐国全部投降楚军，楚军焚烧齐囯的城郭，齐国人再次起来反叛。
刘邦派出的诸将向北攻占土地，俘虏了雍王的弟弟章平。刘邦宣布大赦天下罪人。
二月癸未日，刘邦下令百姓除掉秦国社稷，建立汉国社稷。向百姓施以恩德，赏赐百姓爵位。蜀地和汉中的百姓因为供应军需负担很重，免掉其两年的租税。关中士卒从军的，免除其家中一年的赋税。凡是普通百姓年龄超过五十岁，德高望重，并且能领导大家做善事的，安排其担任三老，每乡一人。选出三老中的一人担任县三老，和县令、县丞、县尉共同商议决定政事，免除其役戍。宣布十月份作为官府用酒肉慰劳百姓的时间。
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