汉元年十月，即公元前206年，沛公率军来到霸上（即灞上，今西安东郊），秦王子婴（三世）乘着素车白马，以丝带系颈，封好皇帝玉玺符节，在轵道（地名）旁跪伏投降。
有人劝说刘邦杀掉秦王。沛公说，当初怀王派我来收复关中，就是因为我能宽厚包容，人家现在已经降服，再杀了他，恐怕不祥。沛公于是把秦王交与手下官吏，嘱咐他们要善待于他。自己则带兵西入咸阳。
沛公进入秦朝宫室，看到宫内那些漂亮的帷帐，狗马玩器，无不新奇；金银珠宝，应有尽有；美妇娇娃，数以千计。沛公看到这些后就不想走了，想住在宫里体验一下皇帝的生活。这个时候樊哙进来了，劝沛公出去住，沛公不听。张良又劝，并且说，正是因为秦王室昏庸无道，你以一介布衣才得以进入皇宫。替天下百姓铲除残贼，应该以俭朴清正为本，你现在刚进入皇宫，就想安逸享乐，这是“助纣为虐”。并且我听说“忠言逆耳利于行，毒药苦口利于病”，希望你听从樊哙之言。
这两个人这么一劝，沛公觉得很有道理，于是封好秦宫里的珍奇异宝、财物府库，还军于霸上。沛公召集各县的父老豪杰们说：“我与诸侯约定，先入关中者当关中之王（意思是我称王是得到诸侯们认可的）。秦朝法律严苛，批评朝廷者灭族，聚集议论国事者处死。我现在跟你们约法三章：除了杀人者要处死，伤人及盗窃要抵罪外，其余的法令全部废除。各位官吏和百姓的生活一切照常，以前该怎样现在还怎样。我所以带兵来取关中，是为父老乡亲除害的，并不是要侵夺残害你们的，不要有什么恐慌。况且我所以还军霸上，是要等诸侯来了再一起制定规约的！”说完，又派人到处去宣传，向老百姓讲清楚政策。
沛公的这番话，包含了几个方面的内容：我们此来的目的是什么，我们的政策方针是什么，我们与诸侯的关系是怎样的。这番话很有作用，一方面能起到安抚百姓的作用，另一方面也是为了向后来的以项羽为首的诸侯们做个交代，免得落下独霸关中的口实。
高祖刘邦在霸上休整军队，与百姓约法三章，暂且不表。且说项羽，收服了秦将章邯，任命长史司马欣为上将军，率秦将为先锋，向关中进发。军队到了新安（今河南洛阳西），收编的秦军和诸侯的军官之间就发生了矛盾：原来这些诸侯将领或部下，过去经过关中去服役或守边时，曾遭到秦军的无礼对待。现在秦军投降了，诸侯的官兵就要报这一箭之仇，于是对投降的秦军多有虐待和羞辱。这些秦军私下里就议论纷纷，担心一旦诸侯不能灭秦，而自己又不得不被俘虏去东方，自己的家人必遭秦朝的屠戮。
这些军官就把这种情况向项羽做了汇报，项羽于是召来大将英布和蒲将军来商议，他担心发生兵变，决定杀掉秦军，只留章邯、司马欣和都尉董翳等人。在这种情况下，英布和蒲将军在项羽的授意下，在新安城南坑杀了秦军二十多万人，项羽残暴的性格和遇事简单化处理的行事方式再一次得到了显现。
继续西行，平定一些秦朝土地，来到函谷关前，函谷关有沛公所派楚兵把守，不让进入。项羽又听说沛公已经攻破了咸阳，心想：“怀王让你刘季先行入关，你我共同效忠于楚国，现在你竟然把我当做敌人，不让我入关。”项羽非常愤怒，于是派英布攻打函谷关。英布果然厉害，正面攻打不下，他于是带领一支人马从山间小道潜入，翻入关内，一通厮杀，函谷关被拿下。项羽领军进入关中，驻扎在戏水（今陕西临潼）南边的新丰鸿门。当时项羽军四十万，号称百万；沛公军十万，号称二十万。
这个时候，沛公手下的左司马曹无伤派人来对项羽说：“沛公想在关中称王，让秦王子婴为相国，秦宫珍宝全部占有了。”项羽大怒不已。亚父范增趁机又火上浇油说：“沛公住在山东之时，贪财好色，现在入关，不贪财宝，不近女色，这不是刘季原来的样子，这说明他的志向不在小处。我让人观其气色，都是龙虎之形，并呈五彩之色，此乃天子之气，赶紧趁这次机会把他给灭了。”项羽觉得很有道理。
项羽叔父左尹项伯，曾因杀人躲在下邳，被张良搭救过，故与张良交好。他因担心张良的安危，于是连夜奔向沛公军中，私下见了张良，把这个情况跟张良透漏了，并要求张良跟他一起走，不能跟着沛公一同送死。张良认为撇下沛公独自逃走，是为不义，于是就向沛公汇报了这个情况。沛公当然十分慌张，于是在张良的引荐下，沛公召见了项伯，奉酒为其祝寿，并要求与其结为儿女亲家。项伯答应了沛公的请求，并愿意从中斡旋项羽和刘邦之间“误解”。
项伯回到军中，见到了项羽，就替沛公说情，并且说，沛公先入关中，我们才能顺利到来，现在人家有功我们却要灭他，不符合道义，不如好好相待。项羽觉得有理，同意了沛公第二天一早亲到鸿门向他谢罪的请求。
第二天一早，沛公带领张良、樊哙还有一百多亲随人马来见项羽。项羽这边，亚父范增了解项羽为人，怕他临时犹豫，所以事先跟他约定以举玉珏为号，玉珏举起之刻，就是沛公项上人头落下之时。沛公见了项羽，首先叙旧并谢罪，并且说，我与项王共事也有些时日，您也了解我的为人，对楚王和您绝无二心的，一定是有小人在项王面前进了谗言，才使得将军您和我之间有了隔阂。
项羽经不起这么一叙旧，感情一激动，就把沛公左司马曹无伤给抖搂出来了，并且说，要不是那个曹无伤说你怎样怎样，我项籍何至于此。（就差拜沛公为大哥了。）项羽吩咐摆酒，沛公这边有张良，项羽这边有项伯和范增，一共五个人分宾主落座。席间气氛有几分诡异，亚父范增多次举起玉珏向项羽示意，项羽就像没看到一样。因为项羽是喜欢用真刀实枪干的人，再经不起沛公这么一叙旧，面子上过不去，所以这时候他已经没有杀沛公之心了。
亚父范增不想失去这么一个好的时机，就悄悄溜出，赶紧召唤项羽的兄弟项庄（可能是堂兄弟），吩咐他进帐舞剑助酒兴，并趁机杀了刘邦。这样，项庄先进去敬酒，敬完酒请求舞剑助兴，项羽答应了项庄的请求。项庄于是当场舞起剑来，好几次差点刺伤沛公，这就是“项庄舞剑、意在沛公”的由来。项伯一看这个情况，也起身舞起剑来，实际是暗中保护沛公。
形势非常危急，沛公命悬一线，张良赶紧来到军门，见到樊哙，樊哙了解了这个情况，愿意进帐去舍身救沛公。他手持剑盾，撞开了阻拦在军门前的交叉持戟矛的卫士，进到中军帐里，站在沛公旁边，眼睛瞪着项羽，头发倒竖，眼眶都差不多瞪裂了。项羽被他吓了一跳，按剑起身问是何人，得知是沛公参乘樊哙。项羽觉得樊哙这种表现很有些自己的影子，于是称樊哙是壮士，命赐酒，樊哙拜谢饮酒毕，项羽又命赐生猪腿。樊哙就把这只生猪腿放在盾牌上，用剑切着吃了。这种行为更加让项羽震撼了，再次称其为壮士，问他能否敢于再饮酒。樊哙就接着这个话头把项羽教训了一番，项羽无言以对，自觉理亏，把杀沛公的念头更搁到一边去了。
沛公借口上厕所，趁机从一条小路逃回军中，只留下张良在此谢罪。沛公回到军中，立马杀了那个脚踩两只船的左司马曹无伤。（曹无伤告密的原因，可能是想为自己留后路，那知道项羽比较讨厌这种人，所以当场就抖搂出来了。）
鸿门宴上沛公逃过一劫，主要原因在于项羽刚刚打胜了巨鹿之战，诸侯臣服，正是春风得意之时，所以他还没有完全意识到沛公这支势力对他的威胁。从军力对比也可以看出，项羽有兵四十万，刘邦只有十万，实力上项羽占了绝对优势。所以项羽这个时候，根本没有把刘邦放在眼里。如果此时他真要灭沛公的话，沛公无论如何都是逃不掉的。
另一个方面就是与项羽的性格有关。项羽是个性情中人，虽然残暴，还是很顾及面子的。怀王之前已经有了约定，先入关者为王。沛公入关后，封府库财宝，没有留下过多的口实，所以从面子上来说，要杀沛公也有点说不过去。
从做人的角度来说，项羽性格有可爱的一面，但是从一个争天下的王者的角度来要求，项羽这种性格恰恰就成了他前进的阻力。