秋七月，刘邦封英布为淮南王。
八月，刘邦下令开始推行算赋法，北貉和燕国人派来骁勇的骑兵协助汉军。刘邦下令：军士不幸战死的，官吏为他们准备衣服棺椁成殓，转送回其家，这样做使四方归心。
项羽自知帮手太少，军粮也已经吃光，韩信又开始进攻楚地，所以十分担忧。刘邦派陆贾前往楚营劝说项羽，索要刘太公和吕雉，项羽不予理会。刘邦再派侯公前往劝说项羽，建议双方达成和约平分天下：鸿沟以西者属于汉，鸿沟以东属于楚国。九月，项羽答应条件，下令释放了刘邦的父母妻子，军中都高呼万岁。刘邦加封侯公为平国君。
项羽看到双方已经缔结合约，就放松了警惕，率军东归。刘邦想要撤军西归，张良和陈平劝阻刘邦说：“大汉现在已经占有天下大半，诸侯全都归附。楚军粮尽兵疲，这正是天亡楚国之时，如果现在不进行追击，绝对是养虎遗患。”刘邦听从了两人的建议，马上率军追击。
汉五年冬十月，刘邦追击项羽，到达阳夏以南后停止进兵，和韩信、彭越所部按照约定日期会合进攻楚军。但刘邦率军一直冲到固陵后，韩信和彭越的军兵却迟迟没有到达。项羽发起反击大败汉军，刘邦只好退回营寨中，深沟高垒不战。
刘邦问张良：“诸侯们都不按照约定前来会师，我们仍然不是项羽的对手，这事怎么办？”张良回答：“韩信和彭越之所以不出兵，因为他们没有得到攻破楚军的好处。大王如果能承诺和他们共分天下，他们马上就会来到；如果不这样去做，胜负仍然不可预料。我建议大王把自陈国以东直到大海的地方，全部划归韩信；睢阳以北直到谷城的地方，全部划给彭越，他们自然全力助战，那样攻破项羽就会水到渠成。”刘邦说：“好。”
刘邦马上派出使者送书信给韩信和彭越。使者到了后，两人果然都率军赶来。
十一月，刘贾攻入楚地，包围寿春。刘邦也派遣人诱降楚国大司马周殷。周殷背叛楚国，率领舒县军兵对六县屠城，随后统领九江军兵迎接英布，联军对城父进行屠城，这几路军兵先后和刘邦会师。
十二月，汉军在垓下包围住项羽。项羽在夜间听到汉军四面都唱起楚地的歌声，认为汉军已经攻占了全部楚地，就率领数百名骑兵突围而出，剩下的楚军随后崩溃。灌婴追击并斩杀项羽于东城。
项羽已死，楚地全部降汉，只有鲁城坚守不降。刘邦想要率军进行屠城，但因为其信守礼义、为主死节，于是派人手持项羽的头颅向鲁城展示，鲁城的守军这才投降。当初楚怀王加封项羽的就是鲁公，等到他战死后，鲁城最后投降，刘邦用鲁公的礼仪在谷城安葬项羽。刘邦汉王为项羽发表讣告，并到灵前哀悼，假模假样痛哭一番后离开。刘邦封项伯等四人为列侯，赐姓刘氏。被裹挟到楚地的外地百姓都遣返原籍。
刘邦还军到达定陶，马上故伎重演，飞驰进入韩信的军营帐中，夺取了其兵符。
当初，项羽所封的临江王共敖战死，他的儿子共尉继承王位，不肯投降，刘邦派卢绾和刘贾击败并俘虏共尉。
这年春正月，刘邦追尊自己的哥哥刘伯号为武哀侯，随后下达诏令说：“楚地已经平定，义帝没有后代，要存恤楚地的百姓，必须先确定其主。诸侯中只有齐王韩信熟悉楚地的风俗，改封齐王为楚王，都城在下邳。魏国相国建城侯彭越勤劳于魏国百姓，谦虚对待手下士卒，经常以少击多，多次攻破楚军，以魏国的土地封他为王，号称梁王，都城在定陶。
又下令说：“战火不休已经持续了八年，给百姓造成深重灾难，现在天下已经统一安定。除已经判决为死刑的囚犯外都一律赦免。”
诸侯们一起上奏疏说：“楚王韩信、韩王信、淮南王英布、梁王彭越、故衡山王吴芮、赵王张敖、燕王臧荼等人冒死再拜请示大王陛下：‘当年秦国失道，天下群起诛灭。大王先俘虏秦王，平定关中，对天下功劳最多。存亡定危，救败继绝，以安万民，功盛德厚。又施恩惠给诸侯王和有功者，使他们能够设立社稷。现在各侯王的封地和名分已定，却都和大王同称王号，显示不出尊卑之别。这样大王的高功盛德，就不能宣明于后世。因此臣等冒死再拜请上皇帝尊号。’”
刘邦装模作样地谦让：“我听说古代的帝王都是大贤。虚言功劳却没有实名，这是不可取的。现在诸侯王都来推寡人，我实在不敢当这个皇帝。”
诸侯王们都说道：“大王起于微末，诛灭暴逆，平定四海，凡是有功的都裂地分封为王侯。大王如果不继皇帝尊号，大家都会怀疑自己所得到的是否正当。臣等愿意以死来抗争。”
刘邦连续三次谦让，最后才说：“既然诸君认为这样做有利于天下百姓，那我就勉强为了国家而登位吧。”
于是诸侯王和太尉长安侯、卢臣绾等三百多人，与博士、稷嗣君叔孙通选定良辰吉日二月甲午日，奉上皇帝尊号。刘邦在汜水北岸继皇帝位，尊吕稚为皇后，太子为皇太子，追尊已过世的母亲为昭灵夫人。
刘邦下诏书说：“原衡山王吴芮和儿子、侄子，从百粤地区起兵，辅佐诸侯，诛灭暴秦，立有大功，诸侯立他为王。后来项羽侵夺其地，贬为番君。现在把长沙、豫章、象郡、桂林、南海封给吴芮，封他为长沙王。”
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