刘邦率领将士西征，还算顺利，没有遇到强敌。为了能早日进入函谷关，刘邦采取了比较灵活的战术，对于好攻打的城邑，就攻打下来，来获取粮草给养。对于难以攻打的城邑，就绕路走，来保存实力。刘邦占据了阳城，继续西进，想拿下南阳郡，在洛阳东面与秦军交战，但战事不利，只好退回阳城。
为了打败秦军，拿下南阳郡，刘邦集中了军中骑兵。在犨县东与南阳太守吕??交战，刘邦集中了骑兵猛冲过去，大败秦军，攻取了南阳郡，郡守吕??逃进宛城。
宛城是座比较大的城邑，想攻下来很难，刘邦想绕过宛城，继续西进。张良劝谏刘邦说：您虽然想赶快入关，但目前秦军数量仍旧很多，又凭借险要地势进行抵抗。如果现在不攻下宛城，日后宛城秦军从背后攻击，前面又有强大的秦军，这可是非常危险的境地啊！
沛公连夜率兵从另一条路返回，并更换了旗帜，在天亮之前把宛城紧紧围住。宛城郡守想自刎，他的门客陈恢说：现在自刎还太早了，等我去见沛公回来再说。
有人把陈恢送下城墙，求见沛公说：我听说您和诸侯约定，先攻入咸阳者为关中王。现在您却停下来攻打宛城，宛城是大郡，附属城池几十座，人口众多，积蓄充足，万众一心坚守城池，您停在这里整日攻城，士兵伤亡一定很多，持续日久必定错过先攻进咸阳者为关中王的约定。
沛公说：那先生有何指教？
陈恢说：现在您进退两难，为了您着想，也为宛城的人民着想，我们约定条件。您可以封赏宛城太守为侯，仍让他留守宛城，您率领宛城的士兵一起西进。那些还没有归服的城邑，听到这个消息，一定会争着打开城门等候您，您就可以畅通无阻的西进，不必担心什么了。
沛公说：好！就依先生所言。
沛公封宛城郡守为殷侯，封给陈恢一千户。沛公率兵继续西进，所经过的城邑，都主动的打开城门，迎接沛公。就连高武侯戚鳃，襄阳侯王陵也都归服了沛公。沛公军士所到之处秋毫无犯，受到了秦地百姓的欢迎。
此时项羽杀了宋义，做了上将军，各路诸侯将领都归属了项羽。项羽打败了秦将王离的军队，降服了章邯，诸侯们也都归附了项羽。赵高杀了秦二世，派人求见刘邦，想和刘邦约定在关中划地称王。
刘邦假意应允，与张良商议对策。张良说：赵高阴险狡诈，不能不防。应派郦生，陆贾等善辩之士去游说秦军将领，并用财物进行引诱，许以高官厚禄，定能为我所用。
刘邦采纳了张良的计谋，使秦军防守松懈，将士不肯用命，便轻松的打败了秦军。刘邦又号令全军，所过之处，不得抢掳，秦地人欢天喜地迎接刘邦，无人抵抗，刘邦彻底打败了秦军，进入关中。
这年十月，刘邦的军队最先到达灞上，秦王子婴驾着白车白马，用丝绳系着脖子上，封好皇帝的印信，在轵道旁向刘邦投降。将领们有的说应该杀死秦王。刘邦说：当初怀王派我攻关中，就是因为我能宽厚容人，人家已经投降了，又把人家杀了，这么做不吉利，也不应该。
刘邦把秦王婴交给主管官吏看管，而后率兵进入咸阳。刘邦进入秦宫后，见到了秦宫的富丽堂皇，皇宫嫔妃的倾国倾城，想留在秦宫中休息，樊哙，张良劝阻说：我们要做大事业，不能为宝物美女所动。
刘邦这才心不甘不情愿的，下令把秦宫中的贵重宝器，财物和库府封好，派人看守，自己率军退回来驻扎在灞上。
刘邦召来关中各县的父老和有才德名望的人，同他们商议事情说：秦朝实施严刑峻法已经很久了，议论朝政得失就会被灭族，相聚谈话都要被处死。我和诸侯们有约定，谁先进入关中的，就是这里的王，所以我应该是关中王。现在我与父老兄弟们约定，今后的国家法令就三条：杀人者处死，伤人者和抢劫者依法治罪。秦朝其余的法令全部废除。
为了安定民心，沛公告诫关中父老兄弟，叫所有的官吏和百姓依旧像往常一样，各居其位，各负其责。我到这里来是为父老兄弟们除害，绝不会对你们有任何侵害，请相信我。
现在我把军队驻扎到灞上，是等各路诸侯到来，共同制定一个规约。随即派人和秦朝官吏一起到各县，镇，乡村去巡视，向民众讲明情况。秦地百姓一颗悬着的心总算放下了。百姓们怀着喜悦的心情，争着送来牛羊酒食来慰劳士兵，沛公推让不肯接受说：仓库里粮食很多，并不缺乏，不想让大家破费。
人们更加高兴，唯恐沛公不做关中王。沛公已取得到关中百姓的民心。
有人游说沛公说：关中之地沃野千里，其他地区是无法比拟的。关中四周的地理形势险峻，易守难攻，是个称王称霸的好地方。现在听说章邯投降项羽，项羽给他封号是雍王，这是明摆了要让他做关中王，沛公应该早做打算。
沛公问：以先生之见如何？
谏者说：现在如果章邯来了，沛公您恐怕就不能拥有这个地方了，以我之见您应该派军队守住函谷关，不让诸侯军进来，再逐步从关中征集兵丁，加强自己的实力，以便抵抗他们。
沛公也是见利忘害，认为他说的话有道理，就采纳了他的计策。派将士守卫在函谷关。
这年十一月，项羽结束了救赵的使命，秦将章邯，王离投降了项羽，对秦作战结束了。项羽率领诸侯军西进，想通过函谷关，西入咸阳，先头部队发现函谷关关门紧闭。
项羽听说沛公已经平定关中，非常恼火，就派黥布率领将士攻打函谷关，函谷关在强大的攻势下，很快关破，守关将士四处逃窜。项羽也不追赶，急行军要找沛公算总账。