（一）斩白蛇
汉高祖刘邦在做沛县泗水亭亭长的时候，为县里押送一批农民去骊山为秦始皇修陵墓。很多人不愿意去送死，途中大部分人都逃走了。刘邦看到拦也拦不住，即使到了骊山，夫役也跑得差不多了，按照秦朝的法律他也会被杀。于是走到丰邑西时，刘邦让大家停下来休息，他她说：“我儿子被人杀了，所以痛哭。”问她儿子为什么被杀，她说：“我儿子是白帝子，变成蛇横在路上，现在被赤帝子杀了，所以我很伤心。”人们以为她胡说八道、散布谣言，想把她抓起来，但是这个老太太突然不见了。后面的人赶到前面，刘邦才醒过来，人们向他报告了这件事。刘邦心里觉得很高兴，心生自豪感，跟随他的人也越来越敬畏他。
秦始皇曾经说：“东南方向有天子饮酒大醉，到了夜里干脆把剩下的所有农民都放了。并且对他们说：“你们赶快逃跑吧，我也要从这里逃跑了。”
这些农民中有十多位身强力壮的夫役愿意跟随刘邦。刘邦带醉行走在丰邑西边的大泽中，让一个农民在前面探路。这个人回来说：“前面有一条大蛇挡路，我们还是回去吧。”刘邦趁着酒劲说：“大丈夫独步天下有什么害怕的！”于是走到前面拔剑将蛇斩断。蛇从正中间被分为两段。
走了几里地，刘邦醉得倒下睡着了。刘邦队伍中走在后面的人来到斩蛇的地方，看见一个老太太在路边连夜放声啼哭。问她为什么这样伤心，气。”于是亲自东游来验证，刘邦怀疑秦始皇说的是自己，就躲了起来，藏到荒凉的芒砀山的深山老林中。这里离刘邦的家乡不远，吕后和其他人一起寻找他，每次都能在人迹罕至之处找到他。刘邦觉得奇怪，就问是怎么回事。吕雉说：“你所在的地方头上总有云气凝结，所以我们根据这一现象总能找到你。”刘邦听了很高兴，沛县的人知道后，许多人都来归附刘邦，参加他们的队伍。这时刘邦已经开始积极进行反秦斗争的准备工作了。
（二）沛公起兵
秦二世元年（公元前209年）七月，秦末农民起义爆发，陈胜、吴广率领九百名戍卒在大泽乡（今安徽宿县西南）举起了反秦的义旗，各地受秦暴政压迫的群众，纷纷响应。
陈胜、吴广的起义军攻占了陈（现在河南淮阳）以后，陈胜建立了“张楚”政权，和秦朝公开对立。这时，反秦起义的浪潮很快就波及到了沛县。沛县的县令害怕群众起来响应陈胜的反秦起义，受到群众的打击，就想变被动为主动，自己起来组织起义军达到投机革命、保全自己的目的。他把萧何和曹参找来商量。萧何和曹参当时都是县令手下的主要官吏，他们早就对沛县县令的所作所为不满，就对县令说：“你是秦朝的县令，现在恐怕沛县的群众不会信任你。”他们劝县令将本县流亡在外的人召集回来，一来可以增加力量，二来也可以杜绝后患。县令觉得有理，便同意了他们的意见，决定派人去找刘邦。派谁去呢？卖狗肉的樊哙和在外逃亡的刘邦暗中有联系，于是沛县令便让樊哙把刘邦找回来，这时候刘邦已经聚集了有几百人的起义队伍。
当樊哙领着刘邦的几百人起义队伍，斗志昂扬地返回来的时候，沛县县令一看到这个阵势却又后悔了，害怕刘邦回来不好控制，弄不好还会为刘邦所杀，等于是引狼入室。他害怕这些人进城之后对自己不利，所以他命令将城门关闭；又怕萧何和曹参与城外的刘邦里应外合来反对自己，准备捉拿萧何和曹参，然后把他们杀掉。
萧何和曹参听到这个消息后，赶忙逃到了城外，跑到了刘邦那里，商量对付县令的办法。他们认为首先要将外边反秦起义的情况告诉县城里的群众，发动群众起来反对县令。
刘邦写了一封信绑在箭上，然后将信射进城中，鼓动城中的百姓起来杀掉出尔反尔的县令，大家一起保卫家乡。百姓对平时就不太体恤他们的县令很不满，看到刘邦的信后，大家就杀了沛县县令，开城门把刘邦的起义队伍迎进城里来。大家共同推举刘邦为沛公，领导大家起事。刘邦便顺从民意，在县府的大院子里设坛祭祀天地，自称赤帝的儿子，领导民众举起了反秦大旗。
这一年已经是秦二世元年（公元前209年）的九月，此时刘邦已经48岁。当地的群众不堪秦暴政的欺压和剥削，纷纷参加起义，起义部队很快就发展到了两三千人。
刘邦在沛县将起义部队作了些组织整顿后，就开始向外发展。他首先攻占了胡陵（今山东金乡县东南）和方与（今山东金乡县北），这时秦朝泗水郡监率兵前来镇压，在丰邑被起义军击败。刘邦让自己的亲信雍齿守丰邑，自己带兵攻打薛（今山东滕县东南），又打败秦军，杀了泗水郡守。
这时陈胜派往魏地联络和发动反秦起义的周市，已经做了魏王的宰相，他置反秦大局于不顾，热衷于割地称王。他听说雍齿对刘邦不满意，就派人煽动雍齿脱离刘邦，并封他为守丰邑的侯，雍齿果然叛刘邦而降魏。刘邦对雍齿本来很信任，听到他叛变了自己，非常气愤。他带兵去攻打丰邑，没攻下，自己反而气病了。
此时反秦斗争的形势发生了很大的变化。陈胜在陈县（今河南淮阳县）建立张楚革命政权，在章邯率领的秦军主力的攻击下，受到了挫折。陈胜撤出陈县后，在下城父（今安徽涡阳）为叛徒所杀。这时候活动在东海一带的一支起义军首领秦嘉，听说陈胜牺牲了，就立景驹为楚王。
刘邦向秦嘉借兵，想把丰邑攻下解自己对雍齿之恨，但一直没有结果。此时，秦末农民战争中另外一支强大的力量，即原来楚国贵族的后代项羽和叔父项梁，他们在吴中（现在江苏的吴市）起兵，兵力很快达到了近万人。他们渡江北上后，联合陈婴、英布、蒲将军领导的几支起义军，成为抗击秦军的主力军。
刘邦听到项梁在薛（今山东滕县东南），就很快率领军队去投奔项梁。项梁拨给刘邦十个将，士兵五千，刘邦领着这支部分军队再去攻打丰邑，雍齿逃到了魏国。由于刘邦与项梁的联合，并得到了项梁的支持，刘邦的起义军迅速发展壮大起来。
此时，章邯率领的秦军在打败陈胜领导的起义军后，便扑向项梁、刘邦领导的起义军。项梁证实了陈胜牺牲的确实消息后，就在薛召集诸将开了一个会，会上决定立楚怀王孙心为楚王，并研究了对抗秦军的战略。会后，项梁、刘邦联军冒雨攻克了亢父（今山东济宁南），又败章邯军于东阿（今山东阳谷东北）。刘邦和项羽又率领一支军队攻克了城阳（今山东菏泽东），接着又打败秦军于濮阳（今河南濮阳西南）之东。在攻打项梁、刘邦领导的起义军时，章邯的军队屡遭败绩，就借环水围绕的濮阳城，坚壁固守，不敢出战。刘邦和项羽又转攻定陶（今三洞定陶西北），在雍丘（今河南杞县）之战中，斩杀了起义军的死对头秦三川郡守李由。
由于起义军的节节胜利，项梁因此骄傲起来，对敌人失去了警惕。狡猾的章邯，就乘起义军骄傲、防备松懈之机，突然在黑夜里偷袭起义军，项梁因为没有防备，在定陶战败被杀。这时刘邦和项羽正在进攻陈留（今河南开封市），他们听到项梁战死的消息，为了保存实力，就主动作了战略退却，以彭城（今江苏徐州）为中心，互为犄角，准备迎接敌人的进攻。但是章邯在打败项梁之后，认为剩下的刘邦、项羽没有什么力量不值得再追击，就率领主力北上渡黄河，围攻赵国去了。章邯的这一错误估计，就为刘邦、项羽重振兵力，创造了条件。
（三）率军西征
章邯率领秦军主力北上围攻赵国后，减轻了对刘邦、项羽的压力。楚怀王趁机对军队进行了整顿，他封项羽为长安侯，号鲁公；封刘邦为武安侯；还任命陈胜原来的部下吕臣为司徒；其父吕青为令尹（相当于相国），并开会研究了下一步的战略部署。由于当时秦军主力集中围赵王歇于巨鹿（今河北平乡西南），情况很危急，赵王歇几次派人向楚怀王求援，于是楚怀王决定派军队去解巨鹿之围；另一方面，因为秦军主力集中围攻巨鹿，秦统治的核心地带——关中地区十分空虚，于是，决定派另一支西征军队入关。
在将领的人选上，项羽因急于要报敌人杀害项梁之仇，主动提出要求带兵西征。但楚怀王和一批老将领认为，项羽为人残暴，过去攻下襄城时，几乎把襄城的居民杀光，不得人心；而刘邦心胸比较宽大仁义，善于争取秦人的支持。所以楚怀王决定派懂兵法的宋义为北上救赵军队的上将军，项羽为次将，范增为末将；而派遣刘邦为西征将军，率军西征。
秦二世二年（公元前208年）末，刘邦率领着自己的部下和沿途收集陈胜、项梁的散卒，开始西征了。这是一支兵不过万人，人数并不多的军队，但斗志很旺盛，在成阳、杠里（今山东范县西）首战告捷，大破秦军。沿途又联合了魏将皇欣、武蒲以及刚武侯的军队，进一步壮大了自己的力量。
当刘邦的军队经过高阳（今河南杞县西）的时候，在当地为乡村小吏的郦食其求见刘邦，劝他攻取陈留（今河南开封东南）。但陈留是一个重镇，城坚粮足，难于一时攻下。郦食其就自荐说他与陈留令是朋友，愿意去劝说他投降，刘邦听了很高兴。陈留令是一个秦统治的忠实维护者，他不听郦食其的劝说。因而郦食其在夜里趁机袭杀了陈留令，借城中混乱之机，一举拿下了秦国的军事重地陈留。刘邦充分利用了陈留的物资，军队很快就扩大到几万人。
秦二世三年（公元前207年），刘邦离开陈留，继续向西推进。他采取避实击虚的灵活战术，军事进展得很顺利。他本想通过函谷关（今河南灵宝东北）进入关中，但是在洛阳东激战中失利。刘邦躲开敌人的主力，向南迂回，出轘辕关（今河南偃师县东南）转向阳城（今河南登封告城镇），准备改道从秦军防守薄弱的武关（今陕西丹风东南）进入关中。
刘邦让韩王成留守阳翟（今河南禹县），以牵制河南的秦军，自己与张良率领主力军队进攻南阳郡。他与秦南阳郡守先战于犨县（今河南鲁山东），东南阳郡守大败后退入宛城（今河南南阳）坚守不出。刘邦如果强攻宛城，不但会损伤兵力，而且延缓了西进的时间。所以，刘邦想绕过宛城，继续向西挺进。张良认为这样的军事行动太冒险，有腹背受敌被夹攻的可能。刘邦听取了张良的意见，连夜改道又返回宛城，再次将宛城围困起来。
南阳郡守对守城失去了信心，就想自杀。这时他的门客陈恢劝他说：“不要急着死，还不到死的时候。”于是陈恢越城去见刘邦，劝刘邦不要用强攻的办法，强攻对双方都不利。他建议刘邦对秦的官吏，要尽量采取劝降的策略。这样可以化阻力为助力，兵到之处不刃而降。刘邦正怕强攻宛城，拖延自己西进的战机，听了陈恢的建议。他马上封南阳郡守为侯、陈恢为千户，让他们仍在当地驻守，自己带着宛城的甲兵继续西进。此后正因为刘邦正确地对敌人采取了争取瓦解的政策，果然所向披靡，丹水（今河南淅川县西）、胡阳（今河南唐河县南）、析县（今河南内乡县西北）、骊县（今河南内乡县东北）的秦军守将，都望风迎降。
由于起义军的节节胜利，这使秦朝统治阶级内部的矛盾激化。赵高杀死了秦二世，立子婴为秦王。子婴派人来见刘邦，愿意与刘邦分关中之王。刘邦认为是诈，没有理会。他乘胜前进，在守将无备的情况下，一举攻克武关，打开了进军关中的大门。这时秦王子婴又杀死了赵高，派兵去守峣关（今陕西商县西北），妄图进行最后的挣扎。
刘邦想乘胜强攻秦峣关守军，但张良认为仍不可轻敌。张良侦查到守卫峣关的秦将是一个屠夫的儿子，爱财好利，就一面派人重金贿赂秦将，一面派骑兵绕到峣关秦军后面，前后夹攻，将其消灭。接着，刘邦又在蓝田击败秦军的最后一道防线，秦国的首都咸阳，已完全暴露在刘邦的大军之下。
（四）推翻秦朝统治
汉高祖元年（公元前206年）十月，沛公刘邦率领十万胜利的大军在各路诸侯中最先到达霸上，进入秦国的首都咸阳。秦王子婴看到大势已去，驾着白车白马，用丝绳系着脖子，封好皇帝的御玺和符节，在枳道（亭名）旁投降。秦始皇统一中国之后建立的强大的秦王朝，在农民起义军的打击下，最终投降瓦解了。这是我国历史上第一次以农民革命的力量，推翻了一个强大的封建王朝。刘邦在这一斗争中，立下了不可磨灭的功劳。
进入咸阳后，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；再说秦王已经投降，又将其杀掉，这么做不吉利。”于是把秦王交给主管官吏，自己带着部下进入了咸阳城。
刘邦此前只当过一个小小的亭长，他进入咸阳秦的宫室后，被富丽堂皇的宫殿、五光十色的财宝、美丽多姿的女人所吸引，于是刘邦就想留在秦宫殿中休息，享受帝王的生活。樊哙看出了刘邦对这种豪华的帝王生活的迷恋，就劝阻刘邦说：“你是想取得天下，还是想当一个富翁？”刘邦回答说：“我当然想取得天下。”樊哙接着说：“依我看，豪华的宫室，数不尽的财宝，妖艳的美女，正是导致秦朝灭亡的原因。你要是想取得天下，就不要留恋这些东西。”刘邦听不进樊哙的劝告，樊哙就把刘邦最信任的张良找来，要张良再劝说刘邦。张良说：“樊哙的劝告是对的。你所以能打到这里，就是因为秦朝残暴。现在刚刚推翻秦的统治，你就追求享乐，不是‘助纣为虐’吗！”刘邦终于接受了他们的意见，下令把秦宫中的贵重宝器财物和库府都封好，只是萧何带走了“秦丞相御史律令图书”，也就是官方的一些文件资料，然后他们一起退回咸阳东郊的霸上（今陕西西安东）驻扎。