垓下一戰後劉邦兌現了先前的諾言，封韓信爲楚王，彭越爲樑王。受封的韓信和彭越聯合原來的燕王臧荼、趙王張敖以及長沙王吳芮共同上書劉邦，請他即位稱帝。劉邦開始假意推辭，韓信他們說：“大王雖然出身貧寒，但能率領衆人掃滅暴秦，誅殺不義，安定天下，功勞超過諸王，您稱帝是衆望所歸。”劉邦順水推舟地說：“既然你們大家都這樣看，覺得有利於天下吏民，那就按你們說的辦吧。”
公元前202年2月28日，劉邦在山東定陶汜水之陽舉行登基大典，定國號爲漢，是爲漢高帝。劉邦即皇帝位後，王后呂雉改稱皇后，太子劉盈稱皇太子。劉邦根據婁敬建議，定都咸陽以東的長安取長治久安之意。開基肇始，史稱西漢。
劉邦做了皇帝，也採取措施對皇權進行了鞏固。各地的異姓王，有兵將，還三心二意。其他將領，爲功勞大小和賞賜的多少爭鬥不止，如果安撫不當，就會投奔那些異姓王作亂。還有原先六國的後代也不能掉以輕心。在中央，丞相的權力對他這個皇帝也構成了威脅。劉邦從做了皇帝，到最後病死，中間有八年時間，基本上都用在瞭解決這些讓他不放心的問題。
他先收拾的是韓信。在公元前201年，有人告發韓信謀反。劉邦問怎麼辦，大家說發兵討伐。但陳平卻反對，他說楚國兵精糧足，韓信又善於用兵，發兵很難取勝。他建議劉邦以巡遊雲夢爲藉口，讓各諸侯王都到陳縣，到那時韓信一定會來，然後再抓他問罪。劉邦依計行事，果然將韓信抓住了。韓信聽到對他的指控，大聲喊冤：“古人說的果然不錯：‘狡兔死，良狗烹；高鳥盡，良弓藏；敵國破，謀臣亡’天下已經平定，我這樣的人也早就該烹殺了。”劉邦將韓信押到了洛陽，但又沒有明確的證據，便釋放了他，但降成了淮陰侯。這使韓信懷恨在心。
第二年，韓信謀劃讓陳豨在外地反叛，使劉邦親自前去平叛，然後自己襲擊留守都城的太子和呂后。但還是事情敗露。呂后採用了蕭何的主意，將韓信誘騙入宮抓捕，最後被斬於長樂宮鍾室，留下一個“成也蕭何，敗也蕭何”的成語。除了韓信，其他諸侯王如彭越等人也被消滅，只剩下了長沙王吳芮。
劉邦年輕時放蕩不羈，鄙視儒生。稱帝以後，他認爲自己是馬上得天下，《詩》、《書》沒有用處。陸賈說：“馬上得到天下，能馬上治天下嗎？”劉邦於是命陸賈著書論述秦失天下原因，以資借鑑。劉邦建立規模宏大的“國家圖書館”天祿閣、石渠閣等。“天下既定，命蕭何次律令，韓信申軍法，張蒼定章程，叔孫通制禮儀，陸賈造《新語》。又與功臣剖符作誓，丹書鐵契，金匱石室，藏之宗廟。雖日不暇給，規摹弘遠矣。”劉邦開創的漢朝奠定了中國古代社會的主要文化，即儒家思想影響下的文化制度。在南北朝時期，印度佛教的傳入，對儒家文化又產生了影響。
漢二年劉邦的《重祠詔》雲：“吾甚重祠而敬祭。今上帝之祭，及山川諸神當祠者，各以其時禮祠之如故。”劉邦認爲“天子尊事天地，修祀山川，古今通禮。”
劉邦被父老鄉親立爲沛公後，就知道“祠黃帝，祭蚩尤於沛庭。”
塗山是夏朝興起之地，劉邦過塗山，“命立禹廟以鎮塗山”，從此，歷代官府和黎民百姓便有了祭祀大禹之所——塗山禹王廟。有廟而發展爲有祭祀大禹誕辰的農曆六月六塗山禹王廟會。由一年一祭的廟會又發展爲一年三祭大禹的農曆三月二十八日（禹會諸侯會期）、六月六日（禹誕辰）、九月九日（登高懷古、慶祝豐收）的三次廟會。
漢十二年（前195年）十二月劉邦自淮南還，過魯，以太牢（豬、牛、羊三牲各一）祭祀孔子。劉邦在回京師長安的路上，專程到曲阜以隆重的“太牢”禮儀祭孔，劉邦是中國歷史上第一個親臨孔廟祭孔的君主，開了帝王祭孔的先例。另一方面也說明了統治者掌握政權後，儒學的價值在社會的變革中得以充分體現。
劉邦晚年寵愛戚姬及其子趙王如意，疏遠呂后，幾次想廢黜呂后所生的太子劉盈（惠帝）而立劉如意。但因大臣反對，只好作罷。爲了皇權的鞏固，劉邦費盡心機。本來他年齡就大，在平定英布叛亂時又中了箭傷，到了長安病情加重。呂后找來名醫，劉邦問他病情，醫生說能治，劉邦一聽口氣，就知道不會好了，氣得大罵醫生：“以布衣提三尺劍取天下，此非天命乎？命乃在天，雖扁鵲何益！”說完賞賜給醫生五十金打發他走了。
呂后看着彌留中的劉邦，問他死後人事的安排：“蕭相國死後，由誰來接替呢？”劉邦說曹參。呂后問曹參之後是誰，劉邦說：“王陵可以在曹參之後接任，但王陵智謀不足，可以由陳平輔佐。陳平雖然有智謀，但不能決斷大事。周勃雖然不擅言談，但爲人忠厚，日後安定劉氏江山肯定是他，用他做太尉吧。”呂后又追問以後怎麼辦，劉邦有氣無力地說：“以後的事你也不會知道了。”
公元前195年，即高祖十二年的四月二十五日（6月1日），劉邦崩於長樂宮，享年六十二歲。葬於長陵（在今陝西咸陽），諡號高皇帝，廟號太祖。
劉邦去世後，劉盈即位爲帝，呂雉開始獨掌大權。對那些爲高祖侍寢而得寵幸的妃子如戚夫人等人，呂太后非常氣憤，就把她們都囚禁起來，不準出宮。而薄姬由於極少見高祖的緣故，得以出宮，跟隨兒子到代國，成爲代王太后。太后的弟弟薄昭也跟隨到代國。
孝惠七年（前188年）八月戊寅，劉盈憂鬱病逝，發喪期間，只見呂雉乾哭，不見落淚。張良之子張闢強擔任侍中，年僅十五歲，對丞相陳平說：“太后只有孝惠帝一個兒子，如今死了，卻只見她乾哭而不悲傷，你知道是什麼原因？”陳平反問：“是什麼原因？”張闢強說：“皇帝沒有年紀較大的兒子，太后害怕你們這班老臣。您現在應請求拜呂臺、呂產、呂祿爲將軍，統領南北二軍，並且讓呂家的人都入宮，在朝廷執掌大權，這樣呂后纔會心安，你們纔能有倖免於禍患。”陳平就按照張闢強的計策去做，呂雉果然高興，哭起來也顯得哀痛。呂氏的權勢便從此開始。呂雉立太子劉恭爲帝，自己臨朝稱制，行使皇帝職權，朝廷號令一概出自太后，爲中國太后專政的第一人。
高後八年（前180年），呂雉病重，她臨終前仍沒有忘記鞏固呂氏天下。在她病危之時，下令任命侄子趙王呂祿爲上將軍，統領北軍；呂產統領南軍。並且告誡他們：“高帝平定天下以後，與大臣訂立盟約：‘不是劉氏宗族稱王的，天下共誅之。’現在呂氏稱王，劉氏和大臣憤憤不平，我很快就死了，皇帝年輕，大臣們可能發生兵變。所以你們要牢牢掌握軍隊，守衛宮殿，千萬不要離開皇宮爲我送葬，不要被人扼制。”
八月一日，呂雉病死，終年六十二，與漢高祖合葬長陵。
呂后崩後留下詔賜給各諸侯黃金千斤，將、相、列侯、郎、吏都按官階賜給黃金。大赦天下。讓呂王呂產擔任相國。讓呂祿的女兒做皇后。由於呂后在政時期培植起一個呂氏外戚集團，從而加劇了漢統治階級內部的矛盾，因此在她死後，馬上就釀成了劉氏皇族集團與呂氏外戚集團的流血鬥爭。呂太后沒有完成她的政治計劃就去世了。漢統治階級內部矛盾驟然激化，袒劉之軍蜂起。齊王劉襄發難於外，陳平、周勃響應於內，劉氏諸王，遂羣起而殺諸呂，劉氏皇族集團與呂氏外戚集團的一場流血鬥爭，以皇族集團的勝利而告終。
誅滅呂氏勢力後，大臣認爲呂雉所立的後少帝和另外兩個劉盈庶子均不是劉盈親生，於是先廢后殺少帝劉弘，並在劉姓皇族選擇皇位繼承人。考慮的重點就是其母親，必不能有一個勢力強大的孃家，於是迎立當時封爲代王的劉恆繼承帝位，是爲漢文帝。