攻取陈留后，刘邦继续西进。一路上，他听取张良的计谋，避实就虚，迂回前进。公元前207年（秦二世三年）三月，刘邦到达开封，开封是个大城，刘邦几次强攻未果，立即绕道而行，在白马（今河南省滑县东）、曲遇（今河南中牟东）连战得胜，鼓舞了士气。随后刘邦又避开了难攻的荧阳（今河南省荥阳东），南下攻占了颍阳（今河南省禹县南），后北经平阳（今河南省孟津北），直逼洛阳。刘邦在洛阳作战不利，估计所部难以攻破重镇洛阳和天险函谷关，因而决定不走函谷关，采取迂回的战略，向南出偃辕（今河南省偃师县东南），经武关（今陕西省商南东南）以入关内。
公元前207年六月，刘邦率军在雠（ｃóｕ，今河南省鲁山东南）大败秦南阳郡郡守吕齮（ｙì），吕齮不得不退守宛城（今河南省南阳）。刘邦见吕齮固守宛城，准备又照以前的办法，放弃宛城，继续西进，此时张良向他建议：“前面秦军据险固守，且兵力颇多，现在我们放弃宛城，贸然西进，万一前路受阻，必遭秦军前后夹击，对我军将会十分不利。我们不如先攻下宛城，以除后顾之忧。”
刘邦听从了张良的计谋，率军围攻宛城，断其粮草，誓死攻下宛城。吕齮见刘邦来势汹汹，自己又无援兵可助，知道坚守无望，准备自杀。吕齮手下的陈恢连忙劝阻，他对吕齮说，自己有办法解除困境。他告诉吕齮，刘邦待人宽厚，有容人之量，不如投降刘邦，这样既可免掉一死，又有可能受刘邦器重，保全自己的地位。而且陈恢表示自己愿意去与沛公谈判。
吕齮同意让陈恢去见刘邦。
陈恢见到刘邦后，对他说：“我听说沛公受楚王调遣，入关攻秦。现要攻取宛城，理所当然。但如果沛公一味强攻，宛城连同几十个县城的民众定会拼死抵抗，沛公虽兵强马壮，也未必能一口气攻下，而且还要损兵折将。依小人之见，不如招降郡守，封其官位，让他仍然当宛城郡守，沛公可自带兵西进，沿途城市见郡守招降后能保其官位，必定效仿，开城迎接沛公，这样一来沛公西进将可长驱直入了。”
刘邦听后连连称好，派人通知吕齮说愿意招降他。
吕齮连忙开城迎接刘邦，刘邦入城后封他为殷侯，留守宛城。自己带兵继续西进。果然，沿途之中，各个城邑的太守均效仿吕齮开城迎接刘邦，愿意归降。刘邦对他们也一一封赏，这样，刘邦一路没遇到什么障碍，经丹水，出胡阳，下析郦，直逼武关。公元前207年八月，刘邦攻入武关，关中大震。
就在刘邦与项羽分兵攻打秦国之时，秦朝内部已经处于毫无斗志的崩溃状态。秦二世胡亥昏庸无道，整天泡在花天酒地之中，不理朝政，二世的宠臣赵高阴险残忍，独霸朝廷，残害忠良，把秦朝搞得乌烟瘴气，秦朝的灭亡理所当然。
当刘邦攻取武关的消息传到秦二世耳中时，胡亥吓得魂不附体，连忙找来赵高商议。赵高是一个只会贪图权势的人，到了这时，也没有了主意，整个朝廷乱成了一锅粥。赵高见秦朝大势已去，无力回天，他为保全自己的性命与官职，杀了秦二世，派人向刘邦求和，提出同刘邦“分王关中”，妄图借此阻止刘邦进军咸阳，以谋积蓄力量，伺机反击。刘邦拒绝了赵高议和的请求，继续进军，直逼咸阳。赵高见诱和不成，又于九月间立秦二世的兄弟之子公子婴为秦王，想把一切责任都推到公子婴的身上，自己好悄悄逃跑。
公子婴不甘当赵高的傀儡，施计杀死了赵高，并调兵遣将，力守咸阳最后一道关口——潼关。
刘邦率军抵达潼关后欲强攻取之。张良献计道：“守潼关的秦将乃贪利之人，沛公可一边派人送金银贿之，一边派兵绕过潼关，在潼关外面的山上，多竖旗帜，给秦兵造成大兵压境之势，此时秦将内受贿赂，外惧强兵，必不战而降。”
刘邦依照了张良的计谋，在蓝田大破秦军，打通了潼关，取得进军咸阳的最后一战的胜利。
公元前206年一月，刘邦驻军灞上（今陕西省西安东南），随即向咸阳进发。此时，咸阳城内只剩下秦王公子婴与一帮文臣，战不能战，跑不能跑，只有一条路可走——向刘邦投降。因此，公子婴派人向刘邦送去了投降书，并带领众人出咸阳城，在大路旁迎接刘邦。刘邦大军威风凛凛地进入咸阳，公子婴跪倒在路旁，向刘邦献上了秦朝的玉玺，同时也献出了秦朝的江山。自此，统治了中国15年的秦帝国灭亡了。
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