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沛公率兵西进，在昌邑与彭越相遇。于是和他一起攻打秦军，战事不利。撤兵到栗县，正好遇到刚武侯，就把他的军队夺了过来，大约有四千人，并入了自己的军队。又与魏将皇欣、魏申徒武蒲的军队合力攻打昌邑，没有攻下。沛公继续西进，经过高阳。郦食其（ｙì ｊī，义基）负责看管城门，他说：“各路经过此地的多了，我看只有沛公才是个德行高尚忠厚老实的人。”于是前去求见，游说沛公。沛公当时正叉开两腿坐在床上，让两个女子给他洗脚。郦食其见了并叩不拜，只是略微俯身作了个长揖，说：“如果您一定要诛灭没有德政的暴秦，就不应该坐着接见长者。”于是沛公站起身来，整理衣服，向他道歉，把他请到上坐 。郦食其劝说沛公袭击陈留，得到了秦军储存的粮食。沛公就封郦食其为广野君，任命他的弟弟郦商为将军，统率陈留的军队，与沛公一起攻打开封，没有攻下。继续向西，与秦将杨熊在白马打了一仗，又在曲遇东面打了一仗，大破秦军。杨熊逃到荥阳去了，秦二世派使者将他斩首示众。沛公又向南攻打颖阳，屠戮了颖阳。通过张良的关系，占领了韩国的轘（ｈｕáｎ，环）辕险道。
这时候，赵国的别将司马卬正想渡过黄河，进入函谷关。沛公就向北进攻平阴，截断黄河渡口。又向南进军，与秦军在洛阳东面交战，战事不利，退回到阳城，聚集军中的骑兵，在南阳县东面和南阳太守吕齮（ｙǐ，倚）交战，打败了秦军，攻取了南阳郡，南阳郡守吕齮逃跑了，退守宛城。沛公率兵绕过宛城西进，张良进谏说：“您虽然想赶快入关，但目前秦兵数量仍旧很多，又凭借险要地势进行抵抗。如果现在不攻下宛城，那么宛城的敌人从背后攻击，前面又有强大的秦军，这是一条危险的道啊。”于是沛公连夜率兵从另一条道返回，更换旗帜，黎明时分，把宛城紧紧围住，围了好几圈。南阳郡守想要自刎。他的门客陈恢说：“现在自刎还太早。”于是越过城墙去见沛公，说：“我听说您和诸侯约定，先攻入咸阳的就让他在那里做王。现在您停下来攻打宛城。宛城是个大郡的都城，相连的城池有几十座，人民众多，积蓄充足，官民都认为投降肯定要被杀死，所以都决心据城坚守。现在您整天停在这里攻城，士兵伤亡必定很多；如果率军离去，宛城军队一定在后面追出；这样，您向西前进就会错过先进咸阳在那里称王的约定，后面又有宛城强大军队袭击的后患。替您着想，倒不如约定条件投降，封赏南阳太守，让他留下来守住南阳，您率领宛城的士兵一起西进。那些还没有降服的城邑，听到了这个消息，一定会争着打开城门等候您。您就可以通行无阻地西进，不必担心什么了。”沛公说：“好！”于是封宛城郡守为殷侯，封给陈恢一千户。于是沛公率兵继续西进，所经过的城邑没有不降服的。到了丹水，高武侯戚鳃、襄阳侯王陵也在西陵归降了。沛公又回转来攻打胡阳，遇到了鄱（ｐó，婆）君的别将梅鋗（ｘｕāｎ，宣），就跟他一起，降服了析县和郦县。沛公派遣魏国人宁昌出使秦地，宁昌还没有回来。这时，秦将章邯已经在赵地率军投降项羽了。
当初，项羽和宋义向北去救赵，等到项羽杀了宋义，代替他做了上将军，各路将领如黥布等都归属了项羽；打败了秦将王离的军队，降服了章邯，诸侯都归附了项羽。赵高杀了秦二世之后，派人来求见，想和沛公定约在关中分地称王，沛公以为其中有诈，就用了张良的计策，派郦生，陆贾去游说秦将，并用财利进行引诱，乘此机会前去偷袭武关，攻了下来。又在蓝田南面与秦军交战。增设疑兵旗帜，命令全军，所过之处，不得掳掠，秦地的人都很高兴，秦军瓦解，因此大败秦军。接着在蓝田的北面与秦军交战，又大败秦军。于是乘胜勇战，终于彻底打败了秦军。
汉元年（前206）十月，沛公的军队在各路诸侯中最先到达霸上。秦王子婴驾着白车白马，用丝绳系着脖子，封好皇帝的御玺和符节，在枳（ｚｈǐ，纸）道旁投降。将领们有的说应该杀掉秦王。沛公说：“当初怀王派我攻关中，就是认为我能宽厚容人；再说人家已经投降了，又杀掉人家，这么做不吉利。”于是把秦王交给主管官吏，就向西进入城阳。沛公想留在秦宫中休息，樊哙、张良劝阻，这才下令把秦宫中的贵重宝器财物和库府都封好，然后退回来驻扎在霸上。沛公召来各县的父老和有才德有名望的人，对他们说：“父老们苦于秦朝的苛虐法令已经很久了，批评朝政得失的要灭族 ，相聚谈话的要处以死刑，我和诸侯们约定，谁首先进入关中就在这里做王，所以我应当当关中王。现在我和父老们约定，法律只有三条：杀人者处死刑，伤人者和抢劫者依法治罪。其余凡是秦朝的法律全部废除。所有官吏和百姓都象往常一样，安居乐业。总之，我到这里来，就是要为父老们除害，不会对你们有任何侵害，请不要害怕！再说，我所以把军队撤回霸上，是想等着各路诸侯到来，共同制定一个规约。”随即派人和秦朝的官吏一起到各县镇乡村去巡视。向民众讲明情况。秦地的百姓都非常喜悦，争着送来牛羊酒食，慰劳士兵。沛公推让不肯接受，说：“仓库里的粮食不少，并不缺乏，不想让大家破费。”人们更加高兴，唯恐沛公不在关中做秦王。
有人游说沛公说：“秦地的富足是其它地区的十倍，地理形势又好。现在听说章邯投降项羽，项羽给他的封号是雍王，在关中称王。如今要是他来了，沛公您恐怕就不能拥有这个地方了。可以赶快派军队守住函谷关，不要让诸侯军进来。并且逐步征集关中的兵卒，加强自己的实力，以便抵抗他们。”沛公认为他的话有道理，就依从了他的计策。十一月中旬，项羽果然率领诸侯军西进，想要进入函谷关。可是关门闭着。项羽听说沛公已经平定了关中，非常恼火，就派黥布等攻克了函谷关。十二月中旬，到达戏水。沛公的左司马曹无伤听说项羽发怒，想要攻打沛公，就派人去对项羽说：“沛公要在关中称王，让秦王子婴做丞相，把秦宫所有的珍宝都据为己有。“曹无伤想借此求得项羽的封赏。亚父范增劝说项羽攻打沛公，项羽正在犒劳将士，准备次日和沛公会战。这时项羽的兵力有四十万，号称百万；沛公的兵力有十万，号称二十万，实力抵不过项羽。恰巧项伯要救张良，使他不至于与沛公一起送死，趁夜来沛公军营见张良，因而有机会让项伯向项羽说了一番道理，项羽这才作罢。次日沛公带了百余名随从骑兵驱马来到鸿门见项羽，向他道歉。项羽说：“这是沛公左司马曹无伤说的，不然我怎么会这样呢？”沛公因为是带着樊哙、张良去的，才得以脱身返回。回到军营，立即杀了曹无伤。
项羽于是向西行进，一路屠杀，焚烧了咸阳城内的秦王朝宫室，所经过的地方，没有不遭毁灭的。秦地的人们对项羽非常失望，但又害怕，不敢不服从他。
项羽派人回去向怀王报告并请示。怀王说：“按原来约定的办。”项羽怨恨怀王当初不肯让他和沛公一起西进入关，却派他到北边去救赵，结果没能率先入关，落在了别人之后。他说：“怀王，是我家叔父项梁拥立的，他没有什么功劳，凭什么能主持定约呢！平定天下的，本来就是各路将领和我项籍。”于是假意推尊怀王为义帝，实际上并不听从他的命令。
正月，项羽自立为西楚霸王，统治梁地、楚地的九个郡，建都彭城。又违背当初的约定，改立沛公为汉王，统治巴蜀、汉中之地，建都南郑。把关中分为三份，封给秦朝的三个降将：章邯为雍王，建都废丘；司马欣为塞王，建都栎阳；董翳为翟王，建都高奴。又封楚将瑕丘申阳为河南王，建都洛阳。封赵将司马印为殷王，建都朝歌。把赵王歇改封到代地为代王。封赵相张耳为常山王，建都襄国。封当阳君黠布为九江王，建都六县。封怀王的柱国共敖为临江王，建都江陵。封番君吴芮（ｒｕì，税）为衡山王，建都邾（ｚｈū，朱）县。封燕将臧荼为燕王，建都蓟县。把原燕王韩广改封到辽东为辽东王。韩广不听，从臧荼就率军去攻打，在无终把他杀了。项羽又封给成安君陈余河间周围的三个县，让他住在南皮县。封给梅鋗十万户。
四月，各路诸侯在项羽的大将军旗帜下罢兵，回各自的封国去。汉王也前往封国，项羽派了三万士兵随从前往，楚国和诸侯国中因为敬慕而跟随汉王的有几万人，他们从杜县往南进入蚀地的山谷中。军队过去以后，在陡壁上架起的栈道就全部烧掉，为的是防备诸侯或其他强盗偷袭，也是向项羽表示没有东进之意。到达南郑时，部将和士兵有许多人在中途逃跑回去了，士兵们都唱着歌，想东归回乡。韩信劝说汉王道：“项羽封有功的部将，却偏偏让您到南郑去，�