项羽歼灭王离军队以后，又连连进攻章邯的部队，章邯节节败退，遭到秦二世的斥责，赵高也拒发援军。章邯进退两难，只能投降项羽，秦军主力彻底瓦解。
当项羽率军进入关中时，怕秦军降卒不服，将降卒20万全部坑杀，不料刘邦已先期攻占咸阳。由于楚怀王有约在先，“先入关者王之”，刘邦理应在关中称王。项羽兵强马壮，于是背约，先是计划在鸿门宴杀刘邦没有成功，把他赶到蜀地，随后引兵西屠咸阳，然后东归，既放弃了关中根据地，又彻底失去民心。公元前206年，项羽自称西楚霸王，刺杀了楚怀王，又分封十八个诸侯王，刘邦被封为汉中王。
分封的不均，加剧了各割据势力的争斗。不久，田荣、陈余、彭越等相继举兵反楚。刘邦也进军关中，于是爆发了历时四年多的楚汉战争。楚汉战争之初，项羽虽取得一系列战役的胜利，但其政治、军事上的弱点却日益显露。他不选择关中而把彭城定为都城，没有一个巩固的后方，一直处于两线作战的不利处境。项羽分封诸侯，举措失当，促使那些在分封中没有得到满足的诸侯王倒向刘邦，自己在政治上日益孤立。此外，项羽虽然作战骁勇，却不善于用人，残暴好杀，失去人心。公元前202年，楚军被围困于垓下，人困马乏，弹尽粮绝。汉军四面唱起楚歌，楚军人心溃散，项羽半夜惊醒，与虞姬对饮，慷慨悲歌，这就是历史上著名的霸王别姬。随后，项羽带领800余人突围，至阴陵迷失道路，向一老农问路，老农故意指错方向，使汉军很快追上，这时项羽身边仅剩28人。项羽突围到乌江，自愧无颜见江东父老，自刎而死。
时世造英雄，英雄造时世。项羽，这位在反秦斗争中脱颖而出的英雄人物，以他“气拔山兮气盖世”的勇猛留名史册。然而，他虽善于作战，而且在中国军事史上留下了以少胜多的著名战例——巨鹿之战，但他刚愎自用，残暴好杀，不善于任用人才，最多导致自己成为政治军事上的孤家寡人。