又率军东出，与项羽的楚军展开了长达四年的楚汉争霸。彭城之战中，刘邦被项羽打得大败，几十万大军死伤惨重，连父亲刘太公和妻子吕雉都被楚军俘虏。汉军士兵四处逃散，很多将领都投降了项羽。周勃却没逃，他带着自己的部队，在混乱中找到了刘邦，保护着他往荥阳方向撤退。
路上，刘邦又累又怕，对周勃说：“周勃，现在楚军追得紧，你要是想走，我不怪你。”周勃握着刀，坚定地说：“沛公，我既然跟着您，就不会走。就算只剩我一个人，我也跟随着您！”刘邦听了，眼眶都红了——乱世之中，这样的忠诚比黄金还珍贵。
后来，刘邦在荥阳稳住阵脚，与项羽对峙。周勃奉命驻守敖仓——这里是汉军的粮草重地，项羽多次派人来攻，都被周勃打退。有一次，楚军夜里偷袭敖仓，周勃亲自率军反击，从夜里打到天亮，杀了楚军数千人，保住了粮草。刘邦得知后，特意派人去慰问他：“周勃，有你守敖仓，我放心呀！”
公元前202年，刘邦联合韩信、彭越等诸侯，在垓下将项羽的楚军团团围住。周勃率军负责攻打楚军的西侧，他亲自擂鼓助威，汉军士兵士气大振，奋勇杀敌。项羽的楚军节节败退，最终项羽在乌江自刎，楚军全军覆没。
楚汉争霸结束后，刘邦在定陶称帝，建立汉朝，史称“汉高祖”。大封功臣时，刘邦念及周勃多年来的战功——从沛县起兵到灭秦，从还定三秦到灭楚，他打了无数仗，身上的伤疤不计其数，便下诏封周勃为“绛侯”，食邑八千一百八十户。
册封那天，周勃穿着崭新的侯服，站在皇宫大殿上。刘邦走下龙椅，亲手为他整理官服，说：“周勃，你跟着我征战八年，每次打仗都冲在最前面，从没有退缩过。这个绛侯，你受得！”周勃跪下接印，声音依旧憨厚：“臣周勃，谢陛下！臣此生，定当忠于大汉，忠于陛下！”
汉朝建立后，天下初定，可北方的匈奴却成了心腹大患。匈奴冒顿单于统一了蒙古草原，兵力强盛，常常南下侵扰汉朝边境。公元前201年，韩王信（不是韩信）被刘邦派去镇守代郡，抵御匈奴。可韩王信贪生怕死，竟投降了匈奴，还带着匈奴骑兵南下，一路烧杀抢掠，代郡、雁门一带的百姓苦不堪言。
刘邦大怒，亲自率领三十二万大军北上征讨。周勃以“将军”之职随军出征，他的任务是攻打韩王信的军队，阻断匈奴的援军。
在代郡的霍人县，周勃遇到了韩王信的军队。韩王信的士兵大多是投降的汉军，战斗力不强，可他们熟悉地形，又有匈奴骑兵帮忙，打仗很狡猾。周勃没有跟他们硬碰，而是派探子摸清他们的营地位置，夜里率军偷袭。韩王信的军队毫无防备，被打得大败，霍人县也被汉军收复。
随后，周勃率军北上，在武泉县以北遇到了匈奴的骑兵。匈奴人身穿皮甲，骑着快马，拿着弯刀，冲过来的时候像一阵狂风。汉军士兵从没见过这么凶猛的骑兵，有些害怕。周勃却不慌不忙，让士兵们列成“方阵”——前排的士兵拿着长戟，挡住匈奴骑兵的冲击；后排的士兵拿着弓箭，射杀冲过来的匈奴人。他自己骑着马，在阵前指挥，看到有匈奴人冲进来，就挥刀砍过去。
这场仗打了一天一夜，汉军终于打败了匈奴骑兵，斩杀了数千人，还俘虏了匈奴的一名将领。匈奴人见汉军不好惹，只好撤兵