公元前208年，奉陈胜之命率兵进攻广陵（今江苏扬州）的召平得知陈胜兵败的消息，以陈胜的名义，命项梁为上柱国，率兵向西进击秦军。

项梁出身楚国贵族，其父项燕为楚之名将，在秦统一六国过程中被秦将王翦所杀。项梁的侄子项羽力能扛鼎，才气过人。叔侄二人避罪吴中。陈胜、吴广在大泽乡举起反秦义旗后，项氏叔侄在吴中响应，杀死会稽郡守，聚集了八千精兵。

项梁受命率部渡江西进，陈婴、英布、蒲将军等人率领的起义军前来汇合，大军至下邳（今江苏睢宁西北）时，已达六七万之众。

另一支刘邦率领的起义军也与项氏叔侄取得了联系。刘邦，字季，沛县（今江苏沛县）人，秦时为泗水亭长。陈胜、吴广起义后，刘邦与沛县豪吏萧何、曹参等人一起，杀死沛县令，聚集了二三千人的队伍，起兵反秦。

项梁得知陈胜被害的确切消息以后，拥立楚怀王的孙子心为楚王，重新树起反秦的旗帜，分兵出击，不断大败秦军。但项梁在率军攻占重镇定陶（今山东定陶西北）后，因轻敌而被秦将章邯夜袭得手，项梁败死。各路义军集结彭城，重新调整部署。章邯在定陶取胜后，以为"楚地兵不足忧，乃渡河击赵"。

此时，代蒙恬戍守朔方边塞的秦将王离，也率大军东出赵地，把赵王歇和张耳率领的诸侯军包围在巨鹿（今河北平乡境）城内。赵王歇向楚王求救，楚王派宋义和项羽北上救赵，又派刘邦西进，并相约谁先人关中就做关中王。

宋义北至安阳，不敢再前。项羽杀宋义，"悉引兵渡河，皆沉船，破釜甑，烧庐舍，持三日粮，以示士卒必死，无一还心”。项羽军以这种决死的气概同秦军殊死搏斗，呼喊声惊天动地，无不以一当十，终于大败秦军，俘虏了秦军主将王离。巨鹿之战具有决定性的意义，它摧毁了秦军主力，使双方力量对比发生了根本变化，战场的主动权转到了反秦义军一方。项羽从而威名大震，被推为诸侯上将军。秦将章邯见大势已去，在殷墟（今河南安阳市西郊）向项羽投降。

在项羽北上救赵的同时刘邦西路军进展顺利。由于项羽牵制了秦军主力，加之谋士张良、郦食其为策划，刘邦很快进入关中。十月，刘邦军至霸上（今陕西西安东）。这时，都朝统治集团内部矛盾加剧，赵高杀秦二世，立秦二世长兄之子子婴为秦王，不再称帝号。子婴又杀赵高。公元前207年冬，刚刚当了46天秦王的子婴“系颈以组，白马素车，奉天子玺符”， 向刘邦投降了。曾经不可一世的秦王朝仅仅存在了15年，就被反秦起义的浪潮涤荡而去。

陈胜、吴广领导的起义，是中国历史上第一次大规模的由农民发起的反抗残暴统治的斗争，由其推动起来的全国性的反秦战争，终于推翻了秦王朝。这对后世产生了深远的历史影响。司马迁评论说："陈胜虽已死，其所置遣侯王将相竟亡秦，由涉首事也。”

当初楚怀王与诸侯相约，先入关中者为王。刘邦进人咸阳之后，明知实力远逊于项羽，不敢与之争锋，惟小心收取民心，为日后计。他封闭秦宫珍宝以观形势，同时留心收取了秦宫中的册籍档案以为他日用兵之利，又与关中父老“约法三章”，称“杀人者死，伤人及盗抵罪”，然后还军霸上。

关中人民因得免兵燹，喜出望外，争相慰劳刘邦军队，“唯恐沛公不为秦王”。

项羽在河北消灭秦军主力之后，挥师关中，破刘邦军占据的函谷关而入，屯军鸿门（陕西西安东北，今称项王营），意欲剿灭刘邦势力。刘邦亲赴鸿门，得项羽叔父项伯为之调停，以卑辞悦色缓和项羽之怒。随后项羽兵入咸阳，杀死已经投降的秦王子婴，烧毁秦朝宫殿，收取财宝，封主要军事实力派和一些亲信共十八人为王，分居各地，并暗害原反秦义军共同拥立的名义领袖怀王（时称义帝），自称西楚霸王，都于彭城（江苏徐州）。

此时刘邦被封为汉王，迁入巴蜀。他率部入川时烧毁栈道，以示无出川之志，麻痹项羽。关中地区则为三名秦军降将章邯、司马欣、董翳所居，分别称雍王、塞王、翟王。

公元前206年，拥重兵而未得封王的田荣逐走齐王田都，杀胶东王田市和济北王田安，尽占三齐之地，复又挥军驱逐了项羽所封的常山王张耳。不安其位的其他军事势力也相机而起，相互攻杀。项羽遂发兵攻击田荣。

蛰居巴蜀的刘邦见中原已乱，于该年八月派遣大将韩信暗地出兵偷渡陈仓（陕西宝鸡东），突袭关中。韩信军大破章邯军队，进入咸阳。仅三个月间，汉军消灭了关中地区的章邯、司马欣、董翳三王势力，然后挥师东进，在公元前205年占据洛阳，为义帝发丧，进一步收取人心。

项羽全力与自称齐王的田荣作战，终于攻占齐地，大肆烧杀掳掠。刘邦则乘机攻取了项羽的都城彰城。项羽回兵击败刘邦，夺回彭城，并将刘邦的父亲和妻子拘获以挟制刘邦。

次年，项羽西向进击刘邦。刘邦在与项羽的正面战争中屡战屡败，但得萧何以关中为根基，征发士卒、补充军队、供应粮草，使无匮乏，得以支持。同时，韩信迂回攻取赵地，使项羽腹背受敌。九江王黥布也降汉抗楚。

公元前203年，刘邦与项羽正面相持，韩信攻占了齐地。项羽谋求在河南与刘邦决战，刘邦则按兵避战，以疲楚师。项羽无奈，与刘邦讲和，约定以鸿沟（由今河南荥阳北引黄河至淮阳东南人颍水的古运河）为界，中分天下，东归楚，西属汉。约定后，项羽将刘邦父亲和妻子释放，引兵东归。

刘邦得谋臣劝告，决意利用楚军回兵之机，与之决战。公元前202年，刘邦会同各路诸侯，集40万之众合击楚军，围项羽于垓下（今安徽泗县西南）。趁其困敝，汉军在夜晚唱楚地之歌，扰乱楚军心神。楚军将士以为家乡已经尽为汉军所得，沮丧涣散，被汉军一举击溃。项羽逃至乌江（今安徽和县东北），绝望自刎。

同年二月，刘邦即皇帝位，建立了汉王朝，史称“前汉”或“西汉”。