刘邦丝毫没有显示出不满，而且在去封地的路上顺便把通往关中的栈道都给烧毁了，以向项羽表明他没有再进攻关中的决心。当然，这是刘邦做的表面功夫，他的心里其实一直在暗暗地做着攻占关中的准备。
公元前206年，齐国与赵国的诸侯发生叛乱，项羽立即率兵前往平乱，刘邦和韩信就在此时攻进了关中，不出3个月就占领了关中的大部分地区。项羽得知后非常气愤，立即派韩王郑昌率兵前往阻拦，刘邦的谋士张良遂伪作韩王书信给项羽，表示刘邦只想得到关中，不会向东再前进半步，项羽相信了，于是放心地攻打齐国。
公元前205年，趁着项羽还在攻齐时，刘邦率各路诸侯兵马约五十六万向东攻打楚国（西楚霸王项羽的根据地），项羽得知后大惊，忙留部分部将继续攻齐，他则率精兵三万去救援他的国都彭城。
刘邦攻下彭城后获得了大量的珠宝、美人，便设宴与众人同庆。项羽一路打进来，杀死汉军十余万，打得汉军节节败退，刘邦仓促逃亡。
此次战败后，很多刘邦的人纷纷投靠了项羽，项羽的军事力量迅速得到壮大。
公元前204年，刘邦在荥阳修甬道，以便过河去取粮食，项羽便派人来毁坏甬道，使得刘邦这边的粮草无法得到补充，刘邦只好主动与项羽议和，项羽同意。
范增建议项羽围攻荥阳，以消灭刘邦。刘邦得知后立即召集众谋臣商议应对的对策，陈平提议用离间计离间项羽和范增，刘邦采纳。
陈平的离间计施行后，项羽果真怀疑范增，不久便剥夺了范增的权利。范增既失望又愤慨，愤而告老返乡，在返乡的途中病逝。
项羽率兵将荥阳团团包围，情况十分之危急，刘邦遂派部将纪信假扮成他去向项羽投降，自己则乘机逃出了荥阳。
公元前203年，项羽攻下了荥阳，刘邦则说服了九江王英布背叛项羽，得以进入成皋。项羽得知后立即率兵前去攻打，很快便夺回了成皋，接着向西去追杀刘邦。刘邦便派重兵阻挡，使得项羽的兵无法继续西进。
就在此时，楚将薛公被汉将彭越渡河攻击，兵败身亡，楚国危在旦夕，项羽知道后赶忙率兵去攻击彭越。刘邦便趁机将成皋给夺下了。”
项羽正在追击彭越的途中，得知此事后气得要死，只好又折回去对付刘邦。
刘邦和项羽对峙了几个月，急性子的项羽受不了了，提出要与刘邦单挑，刘邦不肯，项羽于是派壮士出面挑战，却被楼烦人出面射杀。项羽于是亲自披盔甲拿长戟前来挑战。楼烦人正欲射杀项羽，却被项羽怒目圆睁的模样吓得仓忙躲起，再也不敢出来。刘邦只好亲自出来跟项羽对话，被项羽射伤，赶忙退离成皋。
此时，刘邦的大将韩信攻下了齐国和赵国，正准备攻楚国，项羽立派大将龙且前去对付韩信。龙且不敌韩信，被韩信杀死了。韩信继续进攻楚国。
项羽本想此时回去对付韩信的，无奈彭越又从上古城杀出，项羽只好前去对付彭越，留大司马曹咎固守成皋，并告诫他千万别出战，只需固守即可。
刘邦便派人去挑战曹咎，曹咎一开始还严守承诺坚决不出击，后来实在受不了汉军的连日挑衅，一气之下率兵出击，刘邦立即发起进攻，大败曹咎的军队，一举夺下了成皋，并迅速派人在广武地区收割粮食以做军粮。
项羽得知后赶忙返回，意欲再夺回成皋，然而此时项羽的军兵太过疲累，战斗力已远不如前，而刘邦这边的士兵士气高涨，人数又多，项羽无法，只得和刘邦签订协议，以鸿沟为界，分楚汉两边，各得一半天下。
之后，项羽引兵东归。
待项羽撤兵后，刘