陈胜、吴广起义的消息传到沛县，刘邦认为时机已到，立即聚众响应。他在萧何、曹参、樊哙等人的支持下，占领了沛县，被推立为沛公，手下很快就有了三千人。项羽的叔叔项梁起兵后，刘邦率众投奔项梁，势力逐渐强大。陈胜死后，项梁接受谋士范增的建议，拥立旧楚怀王名叫心的孙子做楚王（仍称楚怀王）。不久，项梁和秦军作战，战败牺牲。
公元前207年，秦将章邯围攻在反秦斗争中建立起来的赵国，赵国危在旦夕。楚怀王派宋义、项羽等领兵救赵，派刘邦西向攻秦，并且和诸将相约：谁先灭秦，谁就做关中王。关中系指函谷关（在今河南省西部）以西，散关（在今陕西省西部）以东，二关之中一带地区。
当项羽军在今河北平乡一带牵制住秦军主力并和秦军主力展开决战时，刘邦却趁此机会，在几乎没有遇到多大抵抗的情况下，很快地便打到了咸阳附近的霸上。
而这时，秦政府内部已经极度混乱。权臣赵高逼死秦二世，另立子婴为秦王，子婴又把赵高杀死。刘邦的军队打来，秦王子婴无力抗拒，只好捧着秦始皇传下的玉玺、兵符到刘邦军前投降。到此为止，秦朝的统治便正式被推翻了。