从军事实力上讲，刘邦一定不是最强的，但综合政治因素，他却是最合适的。可见在复杂的社会中，“最合适”一定是多种因素共同作用的结果。那刘邦能否不辱使命呢？
当时，赵国一个小将领司马卬（áng）要渡黄河攻打函谷关，刘邦岂能容他人来抢功，于是立刻向北攻打平阴，扼守黄河渡口，又向南与秦军在洛阳东交战，但出师不利，便从轘（huán）辕险道退至阳城，收整兵马。
六月，刘邦与南阳郡守吕齮（yǐ）在犨（chōu）东交战，取得大胜，随后继续进攻南阳郡。郡守败走，退守都城宛县。刘邦想绕过宛县直接攻打关中。张良谏言道：“沛公虽然急于入关，但秦军数量仍不少，且有险可守。如果不攻下宛县，则宛军在后，秦军在前，情况十分危险。”刘邦采纳了张良的建议，夜行军悄悄从其他道路返攻宛县，天还未亮，便将宛城层层包围。
南阳郡守想自刎殉国，身边的一个亲信小官陈恢说，“大人还不到死的时候。”陈恢出城求见刘邦，游说道：“臣听说足下与怀王有先入咸阳者为王的约定，而今深陷宛城。宛周边连绵数十座城，百姓官吏以为投降必死，所以都登城坚守。如今您在此攻城，则必死伤严重，若能放弃攻宛而直接西进，则宛县父老将都追随足下。且攻宛，可能使您前失咸阳之约，后有宛城大患。因此，为您考虑，我建议不如来一个“约降”，给郡守封官加爵，使其留下为您守城，还可兼并宛城军队，与您一道向西攻打咸阳。其他还未攻下的城池，听到这个消息都会开门迎接您，您攻打咸阳便后顾无忧了。”《汉书》记载，刘邦对这套说辞的回应只有一个字“善”，也就是“好”。
七月，南阳郡守吕齮（yǐ）投降，刘邦履行承诺，封他为殷侯，封说客陈恢食邑千户，双方兑现“约降”，为其他观望的秦朝官吏做了一个榜样。刘邦一路向西，攻无不克。到丹水时，高武侯鳃、襄侯王陵投降。回师攻打胡阳時，遇到番(pó)阳县令吴芮的将领梅鋗(juān)，与其共同攻克了析、郦两县。刘邦大军所过之处秋毫无犯，秦朝百姓都欢欣鼓舞。
同月，北线战局逐渐吃紧，秦二世派人催促章邯速战，章邯恐被责怪，便派长史司马欣回咸阳汇报战况。司马欣等了三天都没见到奸相赵高，就怀疑他起了疑心，于是马上逃走。赵高果然派人来追杀，但未能追上。司马欣回到前线，对章邯说：“赵高擅权，蒙蔽皇上。如我们取胜，赵高会嫉妒，若失败，则死罪难逃，请将军从长计议。”陈余也向章邯分析了局势，并举了白起、蒙恬两人功高盖主，不得不遭杀身之祸的例子，所以不论胜败，章邯都难逃一死，不如顺应反秦大势，成为一方诸侯，避免人为刀俎我为鱼肉。于是章邯率部向项羽约降，项羽封他为雍王，司马欣为上将。章邯的投降，意味着秦朝基本上气数已尽，秦军此后再无有力的抵抗了。
八月，刘邦攻下武关。赵高十分恐惧，杀了秦二世胡亥，并派人前来商谈平分关中，刘邦认为此中有诈，于是拒绝。
胡亥为赵高所拥立，害死李斯后，赵高在咸阳的地位乃一人之下万人之上。赵高还劝秦二世不要与大臣直接接触，避免刚刚即位，以短示人，毕竟来日方长。这种荒唐的建议竟然被采纳，于是秦二世常深居禁宫，政事都经由赵高汇报。以常理推断，赵高绝不会加害于胡亥，因为胡亥是他拥有这一切的终极保障。所以一定是两人出现了巨大的矛盾，才导致赵高不得不下此毒手。吕思勉先生认为，可能是章邯兵败后，赵高劝秦二世舍弃帝号，据守关中，而秦二世不但不听，反而把当前的不利局面悉数怪罪于赵高。二人矛盾激化，赵高骑虎难下，才想杀掉胡亥并与天下诸侯共分天下。
此说似有可推敲之处。九月，赵高立子婴为秦王。子婴认为赵高拥立自己的原因是安抚群臣，还听说赵高暗中与楚军勾结，想要灭秦而自立关中，所以即位后立刻设计杀了赵高。他自己却并没有继续做殊死抵抗，而是在刘邦进入关中后就主动投降了。所以从这个结果来看，赵高与秦二世的矛盾不在于对时局的态度，而在于赵高很可能早已产生了灭秦自保的想法，而这是胡亥、子婴都不能接受的。
攻克武关后，刘邦距离杀入咸阳只剩峣（yáo）关天险了。此时秦朝虽已失去大将章邯，并发生了剧烈的政治动荡，但兵力仍不可小觑。张良建议刘邦：“此时不可轻敌。建议派人在山上多多布置旗帜以为疑兵，再让郦食其、陆贾两人前往劝降秦将，并进行利诱。”《汉书》并未具体记录两位秦将的姓名，但他们轻易地就被说服了，想与刘邦联合抗秦。张良又说道：“这只是将领个人的意思，下面的士兵未必听从，不如趁他们懈怠之时立刻进攻关中。”刘邦听了张良的建议，引兵绕过峣（yáo）关，翻过蒉（kuǎi）山，在蓝田县南大破秦军。进入蓝田后，又在其北边击败秦军。
张良作为一代谋臣，深刻的洞察了人性，以巧克刚，在瞬息万变的战场上敏锐的捕捉到了机会，成为刘邦入关的重要功臣。
秦二世三年九月，刘邦已经将进入咸阳的道路基本打通，马上就将直捣秦帝国的政治中心。秦历十月为新年首月，汉初沿袭秦朝制度，所以马上到来的新年，由于刘邦攻入咸阳，汉朝便以此为元年。
汉元年十月，也就是新年的第一月，金木水火土五星汇聚于井宿，这意味着定有大事发生。井宿为二十八星宿之一，为南方七宿之首，位于东南方向，而刘邦也正是从东南方向进入咸阳。总之一句话，这一年五行都聚于东南，天时地利人和，必将有圣人以义取天下，这个圣人就是刘邦。
“五星聚于东井”是胜利者为刘邦吟唱的另一首赞歌。南开大学的杨旭博士对此进行过详细论证，结论是不论根据古代历法推算，还是采用现代天文学计算，汉元年十月都不可能出现这一天象。若用比较宽松的标准来界定，最近的一次“五星聚于东井”实际出现在汉二年四至五月，这个时间刘邦正在与项羽交战。
进入咸阳前，刘邦驻军灞上，秦王子婴素衣白马，颈系韨（fú）带，将皇帝玉玺符节封存，于枳（zhǐ）道亭旁向刘邦投降，秦朝至此彻底覆灭。大家为什么都称“秦王子婴”，东汉学者应劭（shào）在写给《汉书》的注中描述，“子婴不敢袭帝号，但称王耳。”子婴诛赵高，降刘邦，虽然加速了秦朝灭亡，但避免关中百姓生灵涂炭，不可谓不仁。我认为这件事的意义，不亚于傅作义投降令北平和平解放。
子婴投降后，诸将领中有人提议将他杀掉。这时刘邦说：“当初怀王派我来打关中，就是因为我宽厚仁义，如今子婴已降，不可杀之。”便将他交由小吏看管。由此，我们可以看出刘邦胸怀宽广，确有帝王之相。
至此，奋六世之余烈，最终统一华夏的大秦帝国，立国仅十四年就灭亡了。
受降后，刘邦挥兵进入咸阳。这是刘邦起事后取得的第一次标志性的战略胜利，至少在地理上占领了咸阳，也即将如怀王之约成为关中王。面对这样的成功，刘邦及其手下的性格特征，在进入秦宫后得以一定程度的暴露出来。
入宫当晚，刘邦就想住在宫中，享受一下财富、美酒和女人，这完全是他的性格。但随后却在樊哙、张良的劝谏下，“封秦重宝财物府库，还军霸上”。
《汉书》只记录了张良的劝言，他对刘邦说：“秦无道，故沛公才得以至此。为天下除暴，应简朴为宜。我们刚入秦宫就贪图享乐，无异于助纣为虐。忠言逆耳，良药苦口，望沛公听从樊将军所言。”樊哙是个粗人，早年是杀狗的屠户，但他身份特殊，是刘邦的连襟；张良是“汉初三杰”之一，是极为出色、具有战略眼光的谋士，但身份距离刘邦有点远。所以，在劝刘邦这件事上，应该是樊哙先开口，但没什么说服力，随后张良帮忙进一步以理服人，两人配合天衣无缝。而刘邦也是听劝的，当天即还军霸上。
汉初三杰的另一人萧何，此时他没打任何珍宝美女的主意，而是“尽收秦丞相府图籍文书”。这让刘邦集团对秦朝的山川地形、人口税收、农耕桑蚕有了详尽的了解，为日后楚汉相争奠定了战略优势。纵观萧何一生，未领过一兵一卒，未攻克一城一池，却能成为“汉初三杰”之首，这件事便是有力的证明。
張良與蕭何從不同的角度，展示了自己的卓越才能，靠著頭腦最終佔據三傑中的前兩個席位。而日後攻城略地、戰功卓著的戰神韓信，也僅在三傑中排名最後。
刘邦还军霸上，这件事是有重要战略意义的：1、他给秦朝旧民留下了极好的印象，告诉了百姓，不是走了一个苛秦又来了一个苦汉；2、为他日后在项羽面前斡旋留下了空间，这个后面会讲到。
十一月，刘邦召集天下豪杰，向天下宣告：“百姓们苦于秦朝苛刻的法律很久了，比如诽谤罪要灭三族，聚众议论的要弃市。我与诸侯有约在先，先入函谷关者为王，所以我来做关中王。如今与各位父老约法三章：杀人偿命；伤人及盗窃者治罪。其余的秦法全部废除，官民均照常工作生活。我攻打咸阳，是为民除害，不是过来为非作歹的，请父老们放心。而且我驻军霸上，是等待各路反秦诸侯到来而共谋天下。”刘邦要求秦朝官吏到县、乡、邑等各地将这番话告知百姓。
秦朝百姓听说后十分高兴，争相拿着牛羊肉、酒和食物献给入关的军士，刘邦悉数回绝，说到：“我军粮充足，无需耗费民力。”百姓听了更加高兴，唯恐刘邦不留下作为关中王。
刘邦进入咸阳后，克制住了个人私欲，未宿秦宫，还军霸上，并公布了一系列安民举措，奠定了坚实的群众基础。后世有史学家评价，此时的刘邦可能早已不满足仅做一个关中王，而是想要争夺天下了。