随着刘渊影响的扩大，其他反晋势力先后依附于其麾下。上郡四部鲜卑陆逐延、氐酋单征，以及叱咤风云于青徐兖豫等州，给予西晋王朝以沉重打击的东莱王弥，都称臣于刘渊。刘渊均署其官爵，委以重任。当王弥归附时，刘渊特地派侍中、御史大夫呼延翼郊迎，致书王弥说：“因将军有不世之功，超时之德，所以隆重迎接。渴望将军之至，我将亲自到将军下榻的馆舍，拂席尘，洗酒爵，敬待将军。”后两人会面，王弥劝刘渊称帝，刘渊十分高兴，说：“我原以为将军不过是悍勇武将，今日方知将军有勇有谋，堪称孔明。我得将军，如鱼得水！”于是任命王弥为司隶校尉，加侍中，特进。后又进弥征东大将军，封东莱公，负责东线战事。

　　在刘渊的指挥下，汉国政权在对晋的战争中取得了很大的进展。永嘉二年三月，刘渊占汲郡，控制了顿丘、河内地区。七月，刘渊进据河东地区，攻克蒲坂（山西永济西）、平阳（山西临汾西南），并将汉国都城由离石南迁至蒲子（山西隰县）。刘渊兵锋所及的河东、平阳二郡的诸县垒壁望风而降。在并州，刘渊亦控制了除州治晋阳以外的诸郡。九月，刘渊又遣王弥、石勒进攻邺城（今河北临漳县），魏郡太守和郁弃城败走。

　　为了进一步提高汉国政权的政治影响，加强自身的政治权力，永嘉二年十月，刘渊在蒲子即皇帝位，国号仍称汉，改元永凤。任命其子刘和为大将军，刘聪为车骑大将军，族子刘曜为龙骧大将军。仿东汉制，设大司徒、大司马、大司空为三公；又仿晋制，宗室以亲疏为等，悉封郡县王，异姓以勋谋为差，皆封郡县公侯。不久，迁都平阳，改元河瑞。

　　进军洛阳刘渊称帝后，没有停顿对西晋皇朝的军事活动。他遣石勒进攻冀州，连下魏郡、赵郡、巨鹿、常山数郡，陷郡县堡垒百余，众至十余万。同时，接连发动了对西晋都城洛阳的攻势。

　　永嘉三年（309）三月，晋积弩将军朱诞叛晋归汉，劝刘渊进攻守备空虚的洛阳。刘渊遂以朱诞为前锋都督，以灭晋大将军刘景为大部督，进攻洛阳。刘景先克黎阳（今河南浚县），又在延津击败晋将王堪。刘景嗜杀成性，将男女老幼三万余口沉溺于黄河。刘渊听到这一消息，大怒，说：“刘景还有什么脸来见我！滥杀无辜，天道不容！我所欲消灭的不过是司马氏而已，平民百姓有何罪过！”于是降黜刘景为平虏将军，中止了这次攻洛的军事行动。同年夏，刘渊又派刘聪、王弥、石勒攻下军事重镇壶关（今山西黄碾南）、屯留（山西屯留南）、长子（山西长子），斩首万九千级。八月，刘聪受命南攻洛阳，大军长驱直入，败平北将军曹武，推进至离洛阳一百里的弘农郡宜阳（河南宜阳市西）。刘聪自恃骤胜，怠不设备。九月，弘农太守垣延诈降，夜袭刘聪，刘聪大败，不得不撤军。

　　十一月，刘渊再次派刘聪、刘曜、王弥、刘景等率精锐骑兵五万进攻洛阳，呼延翼率步兵为继援。刘聪屯驻宜阳。西晋皇朝没有想到汉军在刚刚败后就再次发动攻势，慌了手脚。刘聪军遂至洛阳城西南的西明门。但因守城晋军死战，攻城受挫。刘渊不得已，只得下令撤军，将兵锋转向徐、豫、兖三州。永嘉四年（310）上半年，汉军在冀、徐、豫、兖等州取得了重大进展。二月，克鄄城（山东鄄城北），杀兖州刺史袁孚，又拔仓垣（开封市北），杀晋将王堪。这几个州的流民有数万家，素为西晋皇朝所苦，故纷纷起来烧城邑，杀二千石长吏以应刘渊。

　　刘渊在起兵过程中，尽量抑制滥杀烧掠，招徕士人，力求收揽民心。加刘渊部将乔晞杀西晋介休令贾浑，又欲纳贾浑妻宗氏，宗氏不从，晞又杀宗氏。刘渊得知此事，大怒说：“若天道有知，乔晞必定断子绝孙！”遂降乔晞秩四等，又收贾浑尸，以礼葬之。又雁门范隆，上党朱纪，并为士人，刘渊以隆为大鸿胪，纪为太常，并封公。刘渊还委任京兆士人王育为太傅，征召隐士卜珝为光禄大夫。又有后部士人陈元达，刘渊未举兵时曾招之，元达不应。等到刘渊为汉王时，有人担心地对陈元达说：“你难道不害怕吗？”陈元达笑着回答：“我深知刘渊为人，刘渊亦明我心，恐怕二、三天内，就会有委任我的驿书。”果然当天晚上，刘渊就招元达为黄门郎。陈元达屡进忠言于刘渊，甚为得力。又刘渊在俘获西晋河内太守河东大族裴整后，即任命裴整为尚书左丞。但尽管如此，由于刘渊纲纪不严，加之他长期坐镇都城，带兵出征均是其子和诸将，故滥杀无辜，烧掠奸淫之事虽禁不止，愈演愈烈。刘琨曾描绘当时并州的情景：“群胡数万，周布四山，动足遇掠，开目睹寇”，“流移四散，十不存二，携老扶弱，不绝于路。及其在者，鬻卖妻子，生相捐弃，死亡委危，白骨横野”（《晋书·刘琨传》）。虽有夸张，但多少反映出汉国政权不重视抚恤流亡，组织生产以及制止杀掠的措施不力的事实。汉国政权与汉族之间民族矛盾的加深，使得刘渊建国初期的“称汉以怀人望”的企图难以实现，故他在永嘉四年七月临终前，为了确保死后匈奴族贵族在政权中的支配地位，委任刘聪为大司马、大单于，并录尚书事，置单于台。实行所谓的“胡汉分治”。这一政体在民族矛盾激化的十六国时期，成为各少数族政权行之有效的统治形式。

　　永嘉四年七月己卯，刘渊卒。他临终遗诏嘱太宰欢乐、太傅刘洋等入宫辅政。刘渊谥光文皇帝，庙号高祖，墓号永光陵。