秦始皇三十七年（公元前210年），秦始皇于沙丘（今河北广宗西北）病逝，中车府令赵高等人发动沙丘政变，矫诏将长子扶苏、大将蒙恬赐死，立少子胡亥为二世皇帝。秦二世昏庸荒淫，赵高又专权乱政，赋敛益重，戍徭无已，致使天下越发困疲，百姓苦不堪言。帝国每况逾下，十年暴政最终引发了秦末农民大起义。
秦二世元年（公元前209年）七月，陈胜、吴广首先发动大泽乡起义，建立“张楚”政权，陈胜自称楚王，一时间天下群雄纷纷响应。九月，前楚国大将项燕之后项梁、项羽叔侄发动会稽起义，项梁自号武信君；同月，原泗水亭长刘邦亦于沛县起兵响应，称沛公。陈胜、吴广农民起义失败后，秦二世二年（公元前208年）二月，项梁召集楚地各路义军首领于薛县议事，刘邦亦率部归附项梁。是时，燕、赵、齐、魏兼已自立为王，项梁于是采纳范增建议，拥立前楚怀王孙熊心为王，仍号“楚怀王”，都盱台。
八月，秦军最高统帅、上将军章邯在攻杀反秦武装首领魏王咎和齐王田儋后，与项梁展开了定陶之战，项梁轻敌战死，章邯认为楚地已不足忧，遂领兵北上攻打赵国，围赵王歇于巨鹿，赵王向诸侯求救。
章邯破项梁军，楚国上下十分震恐。刘邦、项羽弃陈留，率军东归。秦二世三年十月（公元前207年10-11月，当时十月为岁首），楚怀王迁都彭城；并项羽吕臣军自将，以吕臣父吕青为上柱国，封沛公刘邦为武安侯，任砀郡长，领砀郡兵；封项羽为长安侯，号为鲁公。
接着，楚分兵两路，一路北上救赵，一路西进伐秦。以宋义为上将军，号“卿子冠军”，项羽为次将，范增为末将，北上救赵；刘邦则收项梁、陈胜散军，并以此为基础西行伐秦。怀王与诸将约：“先入定关中者王之”。
刘邦西征前，先行北上收陈楚散卒，先后攻取了洛阳周边一些地区，企图夺取洛阳，经函谷关入关中，后被洛阳一带秦军出城迎击，大败南逃，在得到郦食其为代表的地方豪强支持后，改变策略，转走武关道入关中，经过几个月的转战，于汉元年十月（公元前207年10月-11月）进至咸阳郊外，于蓝田大破秦军，秦王子婴向刘邦投降。秦朝灭亡。刘邦入咸阳，尽除秦苛法，与关中父老约法三章。秦二世三年十二月（公元前208年12月-前207年1月），项羽杀宋义，夺其军权，率军北上救赵，在巨鹿之战中大破王离北方边军主力，之后再连破秦军，最终秦将章邯投降。
项羽为“诸侯上将军”，于汉元年十二月（公元前207年12月-前206年1月）率诸侯军进入关，与刘邦会于鸿门，这就是历史上有名的鸿门宴。鸿门宴后，项羽屠咸阳，杀秦王子婴，焚秦宫室，劫掠关中。
平定关中后，项羽上书义帝请封功臣，怀王回复“如约”。项羽大怒，不遵义帝之命，自主分封。汉元年（公元前206年）二月，项羽尊楚怀王为义帝，立十八路诸侯，自号“西楚霸王”，定都彭城。刘邦则被封为汉王，将巴、蜀、汉中分给刘邦；又将关中地区分为三部，封秦降将章邯、司马欣、董翳分别为雍王、塞王、翟王，合称“三秦”，企图通过他们控制关中，将刘邦困锁在巴、蜀、汉中地区。
