楚怀王政权建立后做出了连个决定，一是援赵，二是攻秦。执行援赵任务的是宋义和项羽，而西向攻打秦国本土的则是刘邦。刘邦入关中灭秦的这次千里远征充分展现了他的军事才能。
以往说到刘邦，总给人印象他是因人成事，好像没韩信就不会打仗了。其实这是一种误解，为什么项羽对其他反秦诸侯都很轻视，独独忌惮刘邦，不但将其分封到西南偏远之地，还让章邯这样的名将去看守？为什么名将英布造反时对部将说：“上老矣，厌兵，必不能来。使诸将，诸将独患淮阴、彭越，今皆已死，余不足畏也。”将刘邦也视作一个应该担心的人？就连韩信不是也表示“陛下不过能将十万。”能带领十万人马作战这就能证明，韩信对刘邦的军事才能也是肯定的。
刘邦
其实，刘邦的地位也是靠打出来的，虽然在战术造诣上不如项羽和韩信，但在秦末群雄中也是名列前茅的。
秦二世三年（前207年）楚怀王命令刘邦入关中击秦。当时楚军在彭城，也就是现在的江苏徐州，要入陕西，需要横穿整个河南，之间有开封、荥阳、洛阳、函谷关等重镇和险关，都有重兵防守。楚怀王不知道是怎么想的，让只有一万人的刘邦去执行这个高难度的任务。当然也有可能是高度信任，毕竟刘邦曾经击杀秦三川郡守李由，大破秦上将军王离，也是楚国赫赫有名的大将。
刘邦采取了边进军、边发展的战略。一路上相继收编了刚侯武和郦商两支杂牌武装8000余人，扩充到2万，并得名士郦食其相助，占领了粮食很多的陈留，为正式西进奠定了物质基础。
曹参
三月，刘邦进攻陈留以西的开封，在野战中击败秦将赵贲。需要说明的是，赵贲手下兵力不少，虽然史书对战斗本身避而不谈，但史载刘邦部将五大夫樊哙率先冲锋击退敌军，斩侯一人，斩首68级，俘虏27人；另一部将靳歙斩骑千人将一人，斩首57级，俘虏73人。这仅仅是两位军官的斩获，其中还有侯爵和千人骑将。部将曹参还俘虏了司马、御史这样的高级官员，可见秦军规模。然而在野战中依然不敌刘邦的混合军队，也可见刘邦排兵布阵的本事。
野战虽胜，但开封是大城，难以骤拔（这时候秦军围攻巨鹿已经半年了还没有什么进展，可见攻城之难），于是刘邦绕过开封，在野战中击败了另一名秦将杨熊，史书还是没有细说战斗经过，不过从其部将夏侯婴俘虏68人、收降士兵850人、缴获金印一匣的战功来看，又是一次大胜利。杨熊逃入荥阳。刘邦还是绕过不攻，又在洛阳以东大破秦军，当然城依然是攻不下来。
刘邦也感觉自己老这样也不行，后面的秦军城镇越来越多，总感觉后背发凉。于是他不再试图进攻函谷关，而是转道南下，准备从武关入关中。
六月，刘邦在野战中再次大破南阳郡秦军，迫降心里素质不如赵贲、杨熊的南阳郡守，占领宛城。然后并未急于进攻武关，而是花了两个月的时间又平定了十七个县，收编戚鳃、王陵两支杂牌武装，占领整个南阳郡，为自己最后入关之战打造了一个坚固的根据地。
八月，刘邦进至武关东，派魏人宁昌使秦劝降，而这时章邯的秦军主力战败，投降了项羽。赵高杀秦二世，令使者还报刘邦，欲约分关中。
刘邦根本不信，他用了张良的计谋，派郦食其、陆贾游说武关秦将投降，然后突袭夺取武关。之后，刘邦一面率军西进，一面令郦商率军攻取了秦的汉中、巴、蜀等地，从战略上完成了对关中地区的包围。
郦食其
九月，刘邦北上蓝田峣关，故技重施，派郦食其带着大量黄金宝物与秦将谈判议和，收买他们。另一方面，按张良的计策，在峣山遍插旗帜，布下疑兵，以动摇秦军军心。最后“绕峣关，逾蒉山，击秦军，大破之蓝田南”。靳歙斩车司马二人，骑长一人，斩首28级，俘虏57人。至霸上，樊哙斩都尉一人，斩首10级，俘虏146人，降卒2900人。至此，秦王朝失去最后一支军队，只得投降，刘邦入咸阳，完成了看似不可能的任务。
这次西进之战可以看出，一是刘邦军野战能力很强，秦军根本不是对手。二是刘邦善于避实击虚，因此他在正面强攻不利的时候，也常常做侧翼迂回甚至战略反转，不但出空击虚，避其所守，也保证了侧后的安全，避免了孤军深入而无后续的危险。三是刘邦擅长军事和政治手段并用，对能招降的就诱降，能联合的就联合，既不影响进展速度，又不过多消耗实力。