漢高祖元年（前206年）二月，劉邦乘田榮起兵反楚之機，利用韓信的“明修棧道、暗渡陳倉”之計，翻越秦嶺，襲擊陳倉（今陝西省寶雞市東），重挫從廢丘倉促率軍馳援陳倉的章邯部主力，而後連續作戰，分兵略地，水淹廢丘（今陝西興平南），章邯兵敗自殺。漢軍還定三秦，取得了對楚的初戰勝利。
項羽聞漢王皆已並關中，且齊、趙也背叛自己，心中大怒，立即命故吳令鄭昌爲韓王，領兵出距漢軍；令蕭公角等進擊彭越。張良見項羽準備與劉邦決戰，乃再次遺書項羽曰：“漢王失職，欲得關中，如約即止，不敢東”，穩住項羽，並且又示以齊、樑反書曰：“齊欲與趙並滅楚”，將項羽的注意力再次引入齊地。項羽權衡利弊後，覺得齊地不穩，直接威脅楚國的核心，因此暫時擱置了西征的打算，而盡遣精銳北擊田榮，同時，徵兵九江王英布。而布則稱疾不往，只令部將將數千人前往。項羽心中十分不滿，由此其與英布之間的關係不斷惡化，導致了英布後來的叛楚歸漢。
漢高祖二年（前205年）冬，項羽遂北至城陽，田榮亦將兵會戰。田榮不敵楚軍，敗走平原，被當地民衆所殺。項羽又一次體現了自己暴虐的一面，在其獲勝後，燒夷齊城郭室屋，坑殺了田榮的全部降卒，虜其老弱婦女，徇至北海，多所殘滅。齊人不堪忍受項羽的暴行，再次相聚而叛。田榮的弟弟田橫收齊亡卒得數萬人，重返城陽（今山東荷澤東北），與楚軍相持，牢牢地拖住了項羽的主力。
齊、楚軍膠着於城陽，造成了楚都彭城空虛。據《史記·高祖本紀》記載，劉邦藉此率軍出關，發使者將“項羽殺害楚懷王”之事遍告天下諸侯，並親爲義帝發喪，約會各路諸侯共擊楚之殺義帝者。之後，在洛陽大會諸侯，聲勢巨大，聚集諸侯聯軍達五十六萬之衆，分路三路，合擊彭城。漢將曹參、灌嬰、周勃等率軍從圍津（今山東東明）渡過黃河，攻佔煮棗（今山東東明南），擊敗楚大將龍且、項佗於定陶（今山東定陶西北），兵抵胡陵（今山東魚臺東南），從西北面抄襲彭城；將軍薛歐、王吸、王陵率軍由宛（今河南南陽）經葉縣（今河南葉縣西南）出陽夏（今河南太康），從南面攻楚；劉邦率夏侯嬰、盧綰及各路諸侯軍經曲遇（今河南*東北），向東南攻佔外黃（今河南蘭考東南）時，彭越率三萬人馬歸附。爲掩護聯軍側後，劉邦拜彭越爲魏相，令其攻佔樑地（今河南東北部）。而項羽寄以厚望的九江王英布卻趁此坐山觀虎鬥。此後，劉邦軍由西向東連克碭（今河南夏邑東南）、蕭（今安徽蕭縣西北）二縣，順利攻佔彭城。此時，在政治、軍事大環境上，項羽都陷入了空前的孤立，面臨着“兩線作戰”、“兵力懸殊”、“後方淪陷、孤軍外懸”、“盟友背叛”等挑戰。項羽確實是一個亙古爍今的英雄，往往在絕命一擊之時，能夠爆發出驚人的能量。爲此，其進行了大膽而又迅速的戰術部署：表面上，以諸將率領大軍繼續平定齊國，作爲迷惑劉邦的手段；暗地裡，自己親自帶領三萬精兵由魯（今山東曲阜）迅速南下，出胡陵佔領蕭縣，切斷聯軍退路，隨後由西向東反攻。楚軍攻佔蕭縣之時，漢軍和諸侯聯軍已破彭城。項羽乘劉邦“縱情享樂、疏於防範”之機，晨時發起進攻，中午即大破諸侯聯軍，將劉邦所部擠壓於谷水、泅水（位於今江蘇徐州市西）之地。聯軍自相踐踏，被楚軍斬殺十餘萬人，餘部向西南山地潰退。楚軍追至靈壁（今安徽濉溪西南）的睢水再殲聯軍十餘萬漢軍逼入睢水，並圍困劉邦，意圖生擒。值大風驟起，飛沙走石，劉邦才勉強率數十騎逃走。此戰，劉邦遭到嚴重挫折，諸侯紛紛背漢向楚。
“彭城之戰”中，項羽利用楚軍大部分兵馬佯攻齊地，自領三萬銳卒，迂迴聯軍側後，快速迫近彭城，在“神不知、鬼不覺”的情況下，佔領了彭城的門戶蕭縣，並擇機突襲劉邦率領的諸侯聯軍。決戰之時，羽又故技重施，選擇各支部隊的結合部，進行穿插，直刺漢軍腹心，令其指揮系統全面癱瘓。突然出現在聯軍面前的楚軍，戰鬥力極具震撼，一時間虛實難辨。諸侯聯軍見劉邦中軍被毀，以爲楚軍大至，也就徹底崩潰了。從戰役角度講，項羽將“隱秘性”、“突然性”、“致命性”突襲戰法的三要素巧妙地結合起來，“快速迫擊、擇機突襲、利用間隙、直插心腹”的一系列類似如今美軍“斬首行動”的項羽標誌性戰術串聯，在氣勢上佔據了絕對的上風，徹底打垮了對手。是役，楚軍取得了堪稱稱作完勝的結局，不但殲滅劉邦主力，使劉邦陷入“發關中老弱未傅悉詣滎陽”的危機局面。在政治環境方面，原來投向劉邦的諸侯此時又背叛劉邦，有的重回項羽麾下，如塞王董翳、翟王司馬欣，有的則脫離劉邦，轉而走向與其對抗，如魏王豹，陳餘。基本上扭轉了項羽孤立無援的政治局面，重新佔據了楚漢戰爭的主動權。
但是這場完勝的戰役卻也留下了遺憾，主要就在於沒能除掉漢王劉邦，使其逃往西邊，佔據“滎陽-成皋”之地利，依靠關中的資源和民心，與項羽展開了長達四年之久的持久相持。劉邦充分利用時間這一重要因素，使得漢軍出秦川三軍並進、攻城略地後，佔據了堅實戰略縱深、較多進攻線路的戰略優勢得以充分發揮，從而彌補自身戰術上的劣勢。此外，項羽軍事才能出色，卻缺乏政治頭腦，在戰爭中製造了太多的屠城與殺降，征服一地、殺戮一方，殘暴程度有過於秦庭，這也就激起了山東民衆的怨恨，當垓下之戰時，項幾乎與全天下爲敵。最終，劉邦也是利用了項羽的這個弱點，憑藉自己軍政集團的整體實力，拖跨項羽，贏得了天下。