五年（前
202），高祖和諸侯軍共同進攻楚軍，與項羽在垓下決戰。 淮陰侯韓信率領三十萬大軍與楚軍正面對陣，他的部將孔將軍在左邊，費將軍在右邊，漢王領兵隨後，絳侯周勃、柴將軍跟在漢王的後面，項羽的軍隊大約有十萬。淮陰侯首先跟楚軍交鋒，不利，向後退卻。孔將軍、費將軍從左右兩邊縱兵攻上去，楚軍不利，淮陰侯乘勢再次攻上去，大敗楚軍於垓下。項羽的士兵聽到漢軍唱起了楚地的歌，以為漢軍已經完全佔領了楚地，項羽戰敗逃走，楚軍因此全部崩潰。漢王派騎將灌嬰追殺項羽，一直追到東成，殺了八萬楚兵，終於攻佔平定了楚地。只有魯縣人還為項羽堅守，不肯降服，因為懷王當初封項羽為魯公。漢王就率領諸侯軍北上，把項羽的頭給魯縣的父老們看，魯人這才投降。於是，漢王按照魯公這一封號的禮儀，把項羽葬在穀城。然後回師定陶，驅馬馳入齊王韓信的軍營，奪了他的兵權。
正月，諸侯及將相們共同尊請漢王為皇帝。漢王說：「我聽說皇帝的尊號，賢能的人才能據有，空言虛語，不是我所要的，我可承擔不了皇帝的尊號。」大臣們都說：「大王從平民起事，誅伐暴逆，平定四海，有功的分賞土地封為王侯，如果大王不稱皇帝尊號，人們對大王的封賞就都不會相信。我們這班人願意以死相請求。」
漢王辭讓再三，實在推辭不過了，才說：「既然諸位認為這樣合適，那我就為了國家的便利吧。」甲午日，漢王在汜水北面登臨皇帝之位。
皇帝提到義帝沒有後代。因為齊王韓信熟悉楚地的風俗，就改封韓信為楚王，建都下邳。封建成侯彭越為梁王，建都定陶。原韓王信仍舊為韓王，建都陽翟。改封衡山王吳芮為長沙王，建都臨湘。番君的部將梅鋗有功勞，曾經隨漢軍進入武關，所以皇帝感激番君。淮南王黥布、燕王臧荼、趙王張敖封號都不改變。
天下全都平定了，高祖定都在洛陽，諸侯都稱臣歸從於高祖。原臨江王共驩（ｈｕ□ｎ，歡）為項羽效忠，反叛漢朝，高祖派盧綰、劉賈去包圍了他，沒有攻下。過了幾個月共驩才投降，在洛陽把他殺了。
五月，士兵都遣散回家了。各諸侯子弟留在關中的，免除賦稅徭役十二年，回到封國去的免除賦稅徭役六年，國家供養他們一年。
高祖在洛陽南宮擺設酒宴。高祖說：「列侯和各位將領，你們不能瞞我，都要說真心話。我之所以能取得天下，是因為什麼呢？項羽之所以失去天下，又是因為什麼呢？」高起、王陵回答說：「陛下傲慢而且好侮辱別人；項羽仁厚而且愛護別人。可是陛下派人攻打城池奪取土地，所攻下和降服的地方就分封給人們，跟天下人同享利益。而項羽卻妒賢嫉能，有功的就忌妒人家，有才能的就懷疑人家，打了勝仗不給人家授功，奪得了土地不給人家好處，這就是他失去天下的原因。」高祖說：「你們只知其一，不知其二。如果說運籌帷幄之中，決勝於千里之外，我比不上張子房；鎮守國家，安撫百姓，供給糧餉，保證運糧道路不被阻斷，我比不上蕭何；統率百萬大軍，戰則必勝，攻則必取，我比不上韓信。這三個人都是人中的俊傑，我卻能夠使用他們，這就是我能夠取得天下的原因所在。項羽雖然有一位范增卻不信用，這就是他被我擒獲的原因。」
高祖打算長期定都落陽，齊人劉敬勸說，還有留侯張良也勸說高祖進入關中去定都，高祖當天就起駕入關，到關中去建都。六月，大赦天下。
十月，燕王臧荼造反，攻下了代地。高祖親自率軍前去討代，禽獲了燕王臧荼。當即封太尉盧綰為燕王。派丞相樊噲領兵去攻打代地。
這一年的秋天，利幾造反，高祖又新自帶兵去討伐，利幾敗逃。利幾原先是項羽的部將。項羽失敗時，利幾是陳縣縣令，沒有跟隨項羽，逃出歸降了高祖。高祖把他封在穎川為侯。高祖到達洛陽後，召見全部在名冊的列侯，利幾心裡害怕，所以就造反了。
六年（前
201），高祖每五天朝拜太公一次，按照一般人家父子相見的禮節。 太公的家令勸說太公道：「天上不會有兩個太陽，地上不應有兩個君主。當今皇帝在家雖然是兒子，在天下卻是萬民之主，太公您在家雖然是父親，對皇帝卻是臣子。怎麼能夠叫萬民之主拜見他的臣子呢！這樣做，皇帝的威嚴就不能遍行天下了。」後來高祖再去朝見太公，太公就抱著掃帚，面對門口倒退著走。高祖大為吃驚，急忙下車攙扶太公。太公說：「皇帝是萬民之主，怎麼能因為我而亂了天下的規矩呢！」於是高祖就尊奉太公為太上皇，心裡讚賞那個家令的話，賜給他五百斤黃金。
十二月，有人上書報告楚王韓信謀反作亂的事，高祖向左右大臣詢問對策，大臣們都爭著想去征討。最後高祖採用了陳平的計策，假裝去遊覽雲夢澤，在陳縣召見諸侯，楚王韓信來迎接，就趁機拘捕他。當天，大赦天下。田肯來祝賀，趁便勸說高祖道：「陛下抓住了韓信，又在關中建都。秦地是形勢險要之地，周圍有山河環繞，與關東有千里長的疆界被山河阻隔。如果關東擁有百萬軍隊，那麼秦地只需兵力二萬就可以抵擋住。秦地地勢這樣有利，如果對諸侯用兵，就好像從高屋簷角的滴水器往下流水一樣，居高臨下，勢不可擋。還有齊地，東有琅邪（ｙa，牙），即墨的富繞，南有泰山的險固，西有黃河的天險，北有渤海的地利。土地縱橫各二千里，與諸侯的疆界被山水阻隔，超過千里，如果諸侯擁有百萬軍隊，那麼齊地只需二十萬就可以抵擋住。所以說，齊地可以和秦地並稱東秦和西秦。如果不是陛下的嫡親子弟，就沒有人可以派去做齊王。」高祖說：「好。」賞給他黃金五百斤。
十多天以後，封韓信為淮陰侯，把他原來的封地分為兩個侯國。高祖說，將軍劉賈屢次立功，就封他為荊王，統治淮水以東。又封他的弟弟劉交為楚王統治淮水以西。封皇子劉肥為齊王，統轄七十多座城，老百姓凡是能說齊國話的都屬於齊國。高祖於是評定功績，進行封賞，與各列侯剖開刻有封侯字樣的符節，一半留在朝廷，一半交給受封者，以做憑證。讓韓王信遷徙到太原郡。
七年（前
200），匈奴在馬邑攻打韓王信，韓王信就與匈奴在太原謀反。 他的部將在白土城的曼丘臣、王黃擁立前趙將趙利為王，也反叛朝廷。高祖親自率兵前往討伐。正趕上天氣寒冷，士兵們凍掉手指的有十公之二三，於是趕到平城。匈奴軍隊包圍了平城，七天之後才撤圍離去。高祖讓樊噲留下平定代地。封哥哥劉仲為代王。
二月，高祖從平城出發，經過趙國、洛陽，抵達長安。長安的長樂宮建成了，丞相蕭何以下的官員們都遷到長安治事了。
八年，（前
199），高祖又率軍東進，在東垣一帶追擊韓王信的殘餘反寇。
丞相蕭相何主持營建未央宮，未央宮建東闕、北闕、前殿、武庫、太倉。高祖回來，看到宮殿非常壯觀，很生氣，對蕭何說：「天下動盪紛亂 。苦苦爭戰好幾年，成敗還不可確知，為什麼要把宮殿修造得如此過分豪華壯美呢？」蕭何說：「正因為天下還沒有安定，才可以利用這個時機建成宮殿。再說，天子以四海為家，宮殿不壯麗就無法樹立天子的威嚴，而且也不能讓後世超過呀。」高祖這才高興了。
高祖到東垣去，經過柏人縣，趙相貫高等人設下埋伏，想要謀殺高祖，高祖本想在柏人留宿，可是心裡一動，想到「柏人」字音與「迫人」相同，就沒有住在那裡。代王劉仲棄國逃亡，到洛陽投案自首，高祖廢掉了他的王位，改封為合陽侯。
九年（前
198），趙相貫高等人企圖謀殺高祖的事情被發覺，滅了他們的三族。廢掉了趙王敖的王位，改封為宣平侯。這一年，把原來楚國的貴族昭氏、屈氏、景氏、懷氏和原來齊國貴族田氏等貴族遷到關中。
未央宮建成了。高祖大會諸侯、群臣，在未央宮前殿擺設酒宴。高祖捧著玉製酒杯，起身向太上皇獻酒祝壽，說：「當初大人常以為我沒有才能，無可依仗，不會經營產業，比不上劉仲勤苦努力。可是現在我的產業和劉仲相比，誰的多呢？」殿上群臣都呼喊萬歲，大笑取樂。
十年（前
197）十月，淮南王黥布、梁王彭越、燕王盧綰、荊王劉賈、 楚王劉交、齊王劉肥、長沙王吳芮都到長樂宮朝見高祖。春天和夏天國家太平無事。
