趁着劉項二人都在各自的戰場上打得如火如荼時，趙國别将司馬卬打算渡過黃河搶先進入函谷關。劉邦得到情報後，就向北拿下了平陰縣，截斷黃河渡口，也堵死了司馬卬入關的癡心妄想。
拿下平陰後，劉邦攜曹參、周勃、樊哙、郦商、夏侯嬰、灌嬰繼續南行。此時趙贲重整旗鼓，帶領十萬大軍陳兵洛陽東部、屍鄉北部，阻攔劉邦的去路。
劉邦率軍擊潰趙贲，趙贲帶領殘兵退回洛陽城内，劉邦攻打洛陽，未克。于是南行，拿下了陽城，收編了城中的騎兵，并且繳獲了大量戰馬。繼續南行，擊破了南陽郡，南陽郡守呂齮退守宛城，劉邦攻打宛城，天黑時宛城已經潰敗。
眼見宛城即将失守，想到劉邦屠城的慘象，呂齮心有餘戚，打算拔劍自刎，被門客陳恢勸阻。陳恢自告奮勇，出城與劉邦議和。
陳恢提議南陽全郡舉城投降，留下郡守守城，其餘士卒随劉邦西行伐秦。于是劉邦封呂齮為殷侯，賜陳恢食邑千戶。将南陽郡全部士卒編入自己的軍隊，繼續西行。
是時為二世三年七月，項羽和章邯在南陽不遠處的殷墟會盟。劉邦帶着南陽降軍西行時，項羽也帶着章邯的降軍北上。
劉邦迅速向西推進戰線，所到之處望風而降，不降的就屠城。到達丹水後，先後遇到了腮和王陵，這兩人也加入了劉邦。劉邦帶着兩人攻下了西陵、胡陽。吳芮的部将梅鋗正在此地，與劉邦聯合，攻下析、郦等地。
劉邦進軍武關以東，武關為秦廷要塞之一，與函谷關、蕭關、大散關并稱秦之四塞。秦能夠從一個西境窮國逐漸發展為吞并六國的強盛帝國，與它的地理位置有着極大關系。借着四塞的地利，秦國舊地易守難攻，故而在明君強将的帶領下，能夠一次次東出，将山東六國盡數蠶食。然而此時的大秦氣數将盡，雖有四塞之固亦擋不住虎狼之師。
是時為二世三年九月，距離劉邦奉命西征已經一整年了，打了這麼久的仗，他也是身心俱疲，于是派遣甯昌出使秦廷。
此時章邯投降了項羽，劉邦打到了家門口，大秦在過去一年折損了無數精兵強将，六國舊地盡數失守。趙高心知秦的氣數已盡，就殺了二世，派遣使者與劉邦議和，要求與他平分關中。
劉邦以為趙高使詐，而且他生性磊落，對于這種犯上作亂的奸臣沒有好感，于是斬殺了趙高的使臣，拒絕談判。
眼看劉邦大軍壓陣，即将入關。趙高決定在秦王室裡立個傀儡，從而固守三秦舊地，與劉邦展開殊死搏鬥。而自己也可以繼續控制秦廷，成為秦國的無冕之王。
然而在二世的數次血洗之下，秦王室的嫡系宗族已經無一幸存。換言之，二世在位的短短二十幾個月裡，滅了自己的全族。好在嬴姓宗族枝繁葉茂，趙高曆經千辛萬苦，還是找到了一位有嬴姓血脈的公子，他的氏不可考，名嬰，是始皇帝的遠支子侄。
趙高立嬰為秦王，嬰稱病不起。趙高派使者前去嬰的府邸查看，确定嬰不是裝病，于是親自前去邀請嬰繼位。趙高來到嬰的病床前時，嬰拔出藏在枕下的短劍，對着趙高的心口刺去。趙高被撲倒在地，嬰懷着仇恨一劍一劍刺向他的心髒、脖頸，确保這個奸相已經失去了生命體征，嬰從血泊中站起，在自己的府邸裡成為秦王。
與此同時，劉邦率軍攻打武關。張良認為秦軍骁勇善戰，入關後必将有一場惡戰，不如保存實力。武關地勢險要，易守難攻，與其強攻，不若智取。
劉邦采納了張良的建議，命令陸賈和郦食其兩人攜帶财帛前往武關，勸降守将。武關的守将是屠戶之子，憑借軍功而成為守将。秦制之下，憑借軍功升官，一關之守已是上限。而陸賈和郦食其兩人出身寒微，投靠劉邦亦不久。守将見此二人并無什麼才學，隻因投靠劉邦的緣故，便身着錦袍，腰系寶劍，位居高位。再加之兩人言辭懇切恭謹，又帶着比他一輩子俸祿還要多的财帛，于是略加思索就決定率領全軍投降。
武關打開後，劉邦率領大軍殺了進來，将關中大小将領盡數殺死，蕩平武關進入秦境。劉邦兵分兩路，令郦商帶領一部分人馬攻占漢中、巴蜀一帶。而自己率軍西進，攻打秦廷的主力軍。
劉邦殺退了峣下的秦軍，率領大軍到了藍田，此處緊鄰秦廷都城鹹陽。秦王嬰組織秦廷全部兵力，與劉邦的軍隊在藍田大戰，劉邦大敗秦軍，至此，秦廷失去了所有的兵力。
此時為秦王嬰元年十月（前207年），距離二世死亡不足兩月。劉邦駐軍灞上，秦王嬰身着純白的常服，脖子上系着白色絲帶，乘着一輛純白的馬車，以四匹白馬拉車，沿着小路到達灞上。
秦王嬰手捧着皇帝的玉玺和符節，跪在路旁，向劉邦投降。秦朝亡。
劉邦率軍進入鹹陽城，他手下的将士們打了十個多月的仗，一路上風塵仆仆，此時見了鹹陽宮殿巍峨壯麗，又有數不盡的奇珍異寶美女娈童，如同人間仙境地上天國，一個個如同掉進了米缸的老鼠。
衆将士摟錢的摟錢，搶女人的搶女人，時常有人為了财寶或者女人大打出手。昔日莊嚴肅穆的鹹陽宮，如今比鬧市口還要熱鬧。隻有蕭何置身前往禦史台，将秦代的法律诏令和各種文獻圖書帶回自己的房間，晝夜研讀。
張良見劉邦沉湎于享樂，十分焦急。常言：交淺勿言深，他跟随劉邦時間不長，貿然去勸唯恐留下壞印象。如此過了十餘日，張良找到了樊哙，讓他去勸劉邦。樊哙家中以屠狗為業，自幼得到劉邦的接濟，十四歲就随劉邦在芒砀山起義，這三年多來跟随劉邦出生入死，可謂戰功赫赫。
樊哙為人直爽，沒有什麼彎彎繞繞，好在執行力極強，張良讓他去規勸劉邦，他就去了。樊哙推開秦王寝宮的大門，隻見劉邦正在和一個妖豔娈童對弈。于是樊哙将張良的顧慮一股腦兒都說了出來，什麼天下、諸侯、民意、敵我，張良所言，樊哙背得一字不差。
劉邦踹了樊哙一腳，笑問：“誰教你說這些。”
樊哙堅決不肯出賣張良，嘴硬：“是我自己想的。”