垓下一战后刘邦兑现了先前的诺言，封韩信为楚王，彭越为梁王。受封的韩信和彭越联合原来的燕王臧荼、赵王张敖以及长沙王吴芮共同上书刘邦，请他即位称帝。刘邦开始假意推辞，韩信他们说：“大王虽然出身贫寒，但能率领众人扫灭暴秦，诛杀不义，安定天下，功劳超过诸王，您称帝是众望所归。”刘邦顺水推舟地说：“既然你们大家都这样看，觉得有利于天下吏民，那就按你们说的办吧。”
公元前202年2月28日，刘邦在山东定陶汜水之阳举行登基大典，定国号为汉，是为汉高帝。刘邦即皇帝位后，王后吕雉改称皇后，太子刘盈称皇太子。刘邦根据娄敬建议，定都咸阳以东的长安取长治久安之意。开基肇始，史称西汉。
刘邦做了皇帝，也采取措施对皇权进行了巩固。各地的异姓王，有兵将，还三心二意。其他将领，为功劳大小和赏赐的多少争斗不止，如果安抚不当，就会投奔那些异姓王作乱。还有原先六国的后代也不能掉以轻心。在中央，丞相的权力对他这个皇帝也构成了威胁。刘邦从做了皇帝，到最后病死，中间有八年时间，基本上都用在了解决这些让他不放心的问题。
他先收拾的是韩信。在公元前201年，有人告发韩信谋反。刘邦问怎么办，大家说发兵讨伐。但陈平却反对，他说楚国兵精粮足，韩信又善于用兵，发兵很难取胜。他建议刘邦以巡游云梦为借口，让各诸侯王都到陈县，到那时韩信一定会来，然后再抓他问罪。刘邦依计行事，果然将韩信抓住了。韩信听到对他的指控，大声喊冤：“古人说的果然不错：‘狡兔死，良狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡’天下已经平定，我这样的人也早就该烹杀了。”刘邦将韩信押到了洛阳，但又没有明确的证据，便释放了他，但降成了淮阴侯。这使韩信怀恨在心。
第二年，韩信谋划让陈豨在外地反叛，使刘邦亲自前去平叛，然后自己袭击留守都城的太子和吕后。但还是事情败露。吕后采用了萧何的主意，将韩信诱骗入宫抓捕，最后被斩于长乐宫钟室，留下一个“成也萧何，败也萧何”的成语。除了韩信，其他诸侯王如彭越等人也被消灭，只剩下了长沙王吴芮。
刘邦年轻时放荡不羁，鄙视儒生。称帝以后，他认为自己是马上得天下，《诗》、《书》没有用处。陆贾说：“马上得到天下，能马上治天下吗？”刘邦于是命陆贾著书论述秦失天下原因，以资借鉴。刘邦建立规模宏大的“国家图书馆”天禄阁、石渠阁等。“天下既定，命萧何次律令，韩信申军法，张苍定章程，叔孙通制礼仪，陆贾造《新语》。又与功臣剖符作誓，丹书铁契，金匮石室，藏之宗庙。虽日不暇给，规摹弘远矣。”刘邦开创的汉朝奠定了中国古代社会的主要文化，即儒家思想影响下的文化制度。在南北朝时期，印度佛教的传入，对儒家文化又产生了影响。
汉二年刘邦的《重祠诏》云：“吾甚重祠而敬祭。今上帝之祭，及山川诸神当祠者，各以其时礼祠之如故。”刘邦认为“天子尊事天地，修祀山川，古今通礼。”
刘邦被父老乡亲立为沛公后，就知道“祠黄帝，祭蚩尤於沛庭。”
涂山是夏朝兴起之地，刘邦过涂山，“命立禹庙以镇涂山”，从此，历代官府和黎民百姓便有了祭祀大禹之所——涂山禹王庙。有庙而发展为有祭祀大禹诞辰的农历六月六涂山禹王庙会。由一年一祭的庙会又发展为一年三祭大禹的农历三月二十八日（禹会诸侯会期）、六月六日（禹诞辰）、九月九日（登高怀古、庆祝丰收）的三次庙会。
汉十二年（前195年）十二月刘邦自淮南还，过鲁，以太牢（猪、牛、羊三牲各一）祭祀孔子。刘邦在回京师长安的路上，专程到曲阜以隆重的“太牢”礼仪祭孔，刘邦是中国历史上第一个亲临孔庙祭孔的君主，开了帝王祭孔的先例。另一方面也说明了统治者掌握政权后，儒学的价值在社会的变革中得以充分体现。
刘邦晚年宠爱戚姬及其子赵王如意，疏远吕后，几次想废黜吕后所生的太子刘盈（惠帝）而立刘如意。但因大臣反对，只好作罢。为了皇权的巩固，刘邦费尽心机。本来他年龄就大，在平定英布叛乱时又中了箭伤，到了长安病情加重。吕后找来名医，刘邦问他病情，医生说能治，刘邦一听口气，就知道不会好了，气得大骂医生：“以布衣提三尺剑取天下，此非天命乎？命乃在天，虽扁鹊何益！”说完赏赐给医生五十金打发他走了。