項羽消滅了秦軍主力後，即率諸侯軍向關中挺進，行至函谷關，發現有兵守關，項羽軍無法通過，又聽說劉邦已經攻破咸陽，項羽大怒，派當陽君攻破函谷關，四十萬大軍駐紮於新豐鴻門，劉邦軍十萬駐紮霸上，劉邦左司馬曹無傷派人告訴項羽，說劉邦想在關中稱王，並且用子嬰爲相，珍寶全部佔有，范增也告訴項羽，說劉邦在山東時貪財好色，入關後卻不取財物女人，志向不小，應該趁早殺了他。
項羽叔父項伯與劉邦手下的張良關係友好，連夜前往劉邦軍見張良，想要勸張良逃走，卻反被張良拉攏，項伯回來後告訴項羽，劉邦攻破咸陽有大功，如果進攻他是不義之舉，項羽表示贊同。
劉邦第二天率領一百多騎兵來見項羽，范增暗示項羽殺掉劉邦，但項羽爲人不忍，默然不應，於是范增讓項莊於席間舞劍，伺機刺殺劉邦，而項伯也拔劍起舞，擋住項莊，張良見狀，至軍門找樊噲前來。
劉邦留張良將白璧玉斗獻給項羽和范增，自己以上廁所爲由，扔下車騎，只帶樊噲、夏侯嬰等人從酈山道逃回霸上，項羽接受了白璧放在桌上，而范增卻將玉斗摔在地上拔劍砍破，嘆道：“奪項羽天下的人，一定是劉邦。”
項羽進入咸陽後，引兵屠戮咸陽，殺秦王子嬰，火燒秦王宮，大火連續燒了三個月沒有滅，蒐集寶物美女準備回江東，有人勸項羽說關中富饒，可以成王霸之業，但項羽見秦王宮都已經被毀壞，自己又迫切的想回到江東，於是不聽，那人又說，都說楚人性情殘暴，果然是這樣，項羽聽到後，把那個人殺了。
項羽在得到楚懷王的同意後，自立爲西楚霸王，封劉邦爲漢王，章邯爲雍王，司馬欣爲塞王，董翳爲翟王，魏王豹爲西魏王，申陽爲河南王，司馬卬殷王，趙王歇爲代王，張耳爲常山王，當陽君英布爲九江王，吳芮爲衡山王，共敖爲臨江王，燕王韓廣爲遼東王，臧荼爲燕王，齊王田市爲膠東王，田都爲齊王，田安爲濟北王等十八個諸侯王。
