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楚、汉订盟后，刘邦本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。公元前202年1月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计70万人与10万久战疲劳的楚军于垓下（今安徽灵璧县南）展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼，陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。
韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军先诈败，信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后部步军。楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑士分割两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。
后楚军退入壁垒坚守，被汉军重重包围。楚军兵疲食尽。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“人心都向楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头！”。
楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽只有率800人突围至乌江（今安徽省和县境），这时项羽身边只剩下28骑了，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。项羽带着28骑大战汉军，最后全军覆没，项羽不愿被俘受辱，于是在乌江自刭而死。
公元前202年2月，刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为梁王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然大家都这样看，那就按你们说的办吧。”
公元前202年2月28日，刘邦在山东定陶汜水（今山东曹县北）之阳举行登基大典，定国号为汉，是为汉高帝。刘邦即皇帝位后，王后吕雉改称皇后，太子刘盈称皇太子。刘邦根据娄敬建议，定都咸阳以东的长安（今陕西西安），取长治久安之意。开基肇始，史称西汉。
公元前201年，刘邦住在栎阳，五日一朝见太公，以尽人子之礼。这时，太公的家令对太公说，天无二日，地无二王。太公虽然是父亲，终究是臣下，皇帝虽然是儿子，然而是万民之主，怎么能让人主来朝拜臣下呢？如此下去，皇帝的威严如何得到应有的尊重？后来，刘邦再去朝见太公时，太公居然执人臣之礼，到门口迎接，退着走。刘邦大惊，赶忙下车扶住太公。太公对刘邦说，皇帝是万民之主，决不能因为我一人而改变天下秩序。
五月，刘邦下诏说：人之至亲
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