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致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽只有率800人突围至乌江（今安徽省和县境），这时项羽身边只剩下28骑了，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。项羽带着28骑大战汉军，最后全军覆没，项羽不愿被俘受辱，于是在乌江自刭而死。
刘邦于是还至定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳（今江苏邳州东）。
在公元前202年2月，刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为梁王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就按你们说的办吧。”
公元前202年2月28日（按西汉前期以十月为岁首，同年二月在十月之后），刘邦在山东定陶汜水（今山东曹县北）之阳举行登基大典，定国号为汉，是为汉高帝。刘邦即皇帝位后，王后吕雉改称皇后，太子刘盈称皇太子。刘邦根据娄敬建议，定都咸阳以东的长安（今陕西西安），取长治久安之意。开基肇始，史称西汉。
刘邦建国称帝时已过半百，步入晚年变得日益猜忌一起打天下的功臣们，特别是那些异姓王们。结果臧荼、张敖、韩王信、彭越、韩信、英布等先后被废杀，英布还起兵反了，刘邦抱病亲征才平了他。之后其封国则转入刘氏子孙手中。只有吴氏的长沙国幸免。
高祖十二年（前195年），刘邦曾杀白马为盟，订下誓约：“非刘氏而王者，天下共击之。”这就是历史上的“白马之盟”。
不仅如此，他还对萧何起了疑心。逼得他设法自污声名以绎帝之疑，最后也差点不得善终。其逝前还打算杀了忠直的樊哙，因他同是吕氏之婿，担心他助吕作乱。后因陈平的保护及刘邦驾崩才躲过一劫。
刘邦晚年宠爱戚姬及其子赵王如意，疏远吕后，几次想废黜吕后所生的太子刘盈（惠帝）而立刘如意。但因大臣反对，只好作罢。为了皇权的巩固，刘邦费尽心机。本来他年龄就大，在平定英布叛乱时又中了箭伤，到了长安病情加重。吕后找来名医，刘邦问他病情，医生说能治，刘邦一听口气，就知道不会好了，气得大骂医生：“以布衣提三尺剑取天下，此非天命乎？命乃在天，虽扁鹊何益！”说完赏赐给医生五十
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