二月，沛公从砀出发北攻昌邑，遇见彭越。彭越帮助沛公攻打昌邑，没能攻下。沛公西经高阳， 郦食其是高阳里的门卒，他说： “经过高阳的将领甚多，我认为沛公具有大度。 ” 于是求见沛公。此时沛公坐在床上。令两个女子替他洗脚。郦食其未行拜见之礼， 拱手长揖说： “足下要是真想推翻无道之秦，就不应坐着来接见长者。 ” 沛公听后而起， 整衣表示歉意，请入上座。食其建议沛公袭击陈留。沛公委任他为广野君。封食其的弟弟郦商为将，领陈留之军。三月，攻打开封县，未攻下。领兵西向与秦将杨熊在白马县会战，又交战于曲遇之东，大败秦军。杨熊败走至荥阳， 秦二世派人将败军之将杨熊斩首示众。四月， 沛公南攻颍川，大开杀戒。接着运用张良的力量攻韩地。
此时任赵别将的司马？正打算渡黄河入函谷关，沛公就北攻平阴，截断黄河渡口。引兵向南，与秦兵战于洛阳之东，受小挫。就从頧辕险道到阳城，收取军中所需马骑。六月， 与秦南阳郡守齿 奇战于韜县之东，大败秦军， 占领了南阳郡，南阳郡守逃走，保守宛城。沛公领兵过宛城西出，张良谏阻说：“沛公虽然急欲攻入函谷关，而秦兵还很多，且负隅相拒。现在如不攻下宛城，要是强秦据守于我前，宛兵攻击于我后，这是一条危险的道路。 ” 沛公就在夜晚引兵绕道还攻宛城，偃旗息鼓，天未明，就将宛城围住了三层。南阳郡守想自刎， 他的亲信陈恢说： “还未到死的时候。 ” 于是陈恢越城出见沛公。他说： “小臣听说足下曾与人相约：先入秦都咸阳的尊之为王，现在足下在攻打宛城。宛郡有据点数十处，守卫的将士自以为投降必被处死，所以都登城固守。足下如果整日强攻，双方伤亡定会很多；要是放弃攻宛而引兵向西， 宛地的秦兵完全尾追于后。足下攻宛则延误了先入咸阳者为王之约，足下弃宛则留下了后有追兵之患。小臣为足下着想，不如允许宛城守军投降，封郡守为侯，仍令他驻守原地。将他的兵力调出一并向西。前方还未攻下的城邑，定会闻风响应而迎接足下。足下就会顺利通行而无后顾之忧了。 ” 沛公说： “很好。 ” 七月，南阳太守齿 奇投降，沛公封他为殷侯，封陈恢为千户。引兵向西，势如破竹。兵到丹水，秦高武侯鳃、 襄侯王陵归降。回师攻胡阳，遇番君别将梅軭，与他合攻折县、 郦县，都归降了。沛公命令军队经过之处不得掳掠，秦民十分欢迎，派魏人甯昌去秦地劝降。同月，秦大将章邯率领全军投降项羽，项羽封章邯为雍王。瑕丘公申阳攻下河南。八月， 沛公攻下武关。进入秦郊。
秦丞相赵高惊恐，就杀掉秦二世，派使来见沛公，想相约平分关中之地，沛公拒绝了。九月，赵高立二世兄之子子婴为
王。子婴诛灭了赵高， 派将军领兵据守山 尧关。沛公想发起攻击， 张良阻止说：“秦兵尚强，不可轻视。建议先派人在
近的山上多插旌旗以为疑兵，派郦食其、陆贾到秦营当说客，以利相诱。 ” 秦将果然想与沛公讲和，沛公打算同意。张良说： “这只是秦的将领想叛秦， 恐其士卒不从的缓冲之计，不如乘其无备而发起进攻。 ” 于是沛公领兵绕道山 尧关，翻越黄山，进击秦军，接着进军蓝田， 从北侧发起进攻，秦兵又大败。
汉高祖元年(前 206 ) 冬十月， 沛公领兵到达霸水上。秦王子婴驾着素车白马，颈上系着绶带，把皇帝的玉玺符节封好，在轵道亭旁向沛公投降，众将中有人建议沛公杀掉秦王，沛公说： “原先楚怀王之所以派我入关，是因为我能宽容人，何况秦王已经归顺投降，要杀掉他是不好的。 ” 于是将孺子婴交给小校看管。接着西进咸阳，到秦都后沛公想进秦宫休息，樊哙、 张良进行劝阻。沛公就将秦都的重要财物府库进行封存后， 将军队回驻于霸上。萧何把秦丞相府的图籍档案全都收取。十一月， 沛公在召集秦地各县豪杰会上说： “各位父老受秦朝的酷刑峻法之苦很久了。当时是对犯诽谤罪者刑及父母妻子，二人相对议论者斩首示众。我曾与反秦的诸侯有约， 先入关者为王。我先入关当称王于关中。现在向诸位父老宣布，法令三条：杀人的偿命，伤人及抢劫的按情节治罪。其余的秦朝法令一律废除。秦地吏臣民都要服从纪律各从其业。我之所以领兵入关，是为帮父兄们除害。绝不会在此地横行霸道，望诸位不要惊恐。我现在驻军于霸上的原因，是等各路起义诸侯到达以后一齐执行约法三章。 ” 即时派人与秦朝故吏下行县乡晓喻百姓。秦民大喜，争先牵着牛羊，提着酒食来犒劳沛公的将士。沛公一再推辞不受，他说： “秦库粮食甚多，实在不敢增加百姓负担。 ” 秦地人民更是感戴，深怕沛公不做关中之王。
有人向沛公建议说： “秦地财富十倍于天下，地理形势险要，现在听说秦大将章邯投降了项羽，项羽给他以雍王王号，派他到关中为王。要是他一到，沛公恐怕不能拥有此地。应该迅速派兵扼守函谷关，不要让诸侯的队伍进来，稍从关中征集一些兵丁以加强兵力，拒章邯于关外。 ” 沛公认为其计甚佳，就听从了。十二月，项羽果然领诸侯兵准备入关中，函谷关门紧闭。项羽得悉沛公已定关中，勃然大怒，派英布等攻破函谷关，直抵戏下。沛公的左司马曹无伤听说项羽发怒，想攻打沛公，就派人密报项羽说： “沛公想当关中王，叫秦王孺子婴当他的丞相，现拥有秦都所有珍宝。 ” 想借密报之功来求得项羽给他的封号。亚父范增建议项羽说： “沛公在山东时，贪财好色，现在听说他入关之后，珍物宝器不取，美色妇女不近。看来他的志气不小。我曾派人望他头上的云气， 云气如龙， 五色灿烂，这是帝王之气。定要趁早攻击，不要贻患将来。 ” 于是项羽犒劳士卒，下令明日交锋。
此时，项羽拥兵四十万， 号称百万。沛公有兵十万，号称二十万，兵力悬殊。适逢项羽叔父左尹项伯是张良的故友，连夜驰见张良，详细告诉了项羽明日进攻沛公的军事实情，想叫张良和他一起脱离险境， 不必与沛公同归于尽。张良说： 在下是作为韩王使者来投沛公帐下的，不能不辞而别，别而不告是不义。 ” 于是和项伯一同去见沛公。沛公与项伯约为婚姻，对项伯说： “我进关之后，秋毫之物都不敢取，保存吏民簿籍，封锁秦朝府库，以等待项羽将军。我之所以派兵守关，是为了防备其他盗贼。日夜盼望项将军的来到，怎么敢有背德的心迹。 ” 项伯点头同意， 连夜回营去了。临行时告戒沛公说： “明晨一定要尽早拜见项羽。”项伯回营后， 将详情转告于项羽， 接着说： “沛公如果不先打败关中秦军，您能够如此顺利到达关中吗 ？ 何况沛公立有大功，对之进行攻击是不得人心的，不如就此机会对他表示友好。” 项羽表示意。