二年（前205年）三月，刘邦让周勃继续围困雍丘，自己率主力东进。四月，他乘齐、楚两军胶着之际，以项羽杀害楚怀王，为义帝报仇讨逆为政治号召，联络各地诸侯王，率联军五十六万攻楚，一举袭占楚都彭城。项羽留部将继续击齐，自率精兵3万疾驰南下，以少胜多，大败汉军，收复彭城。刘邦仅率数十骑突出重围，逃回荥阳(今河南荥阳东北古荥镇)。此役，汉军被歼数十万，元气大伤。刘邦的父亲妻子儿女都被项羽俘虏。刘邦战败，诸侯纷纷背汉向楚。
为摆脱被动局面，刘邦先水灌废丘，败死章邯，完全解决后顾之忧；
然后派儒生随何说英布归汉，重用韩信、彭越，从各方面联合反楚力量。军事上，则利用荥阳、成皋(今河南荥阳西北汜水镇）有利地形，分兵扼守险要，以争取时间，发展自己，待机再战。
二年五月，刘邦在荥阳得到萧何征得的关中兵员补充，韩信亦率援军赶到，在荥阳东战败楚军，阻遏了楚军西进攻势。楚汉双方在荥阳、成皋一线相持。双方在这个地方拼死争夺，这就开始了关系楚汉命运的成皋之战。从二年（前205年）五月到四年（前203年）八月，前后历时两年零三个月左右。
需要说一下彭越。陈涉起义时，彭越在巨野泽（今山东巨野县，微山湖西北，古为沼泽地）中聚盗贼起事。刘邦西击秦过昌邑(巨野东南)，彭越率兵帮助。刘邦继续西进，他就留在巨野收魏败兵，壮大了势力。后项羽分封诸侯时居然忘了他，他和他手下一万多人不知何去何从。后来田荣叛楚，要扩大势力，拜他为将军，共同反楚。刘邦东进进攻项羽，先收服魏豹（被项羽封为西魏王），再收服彭越，并让他任魏相国，共击彭城。彭城败后，彭越引兵北渡黄河，得刘邦令，不断出兵骚扰项羽后方，绝其粮草。
这时候内部又出现一点小问题，魏豹反于河东(郡治安邑，今山西夏县西北禹王城）。刘邦先让郦食其去游说，魏豹说刘邦“慢而侮人，骂詈诸侯群臣如骂奴耳，非有上下礼节也，吾不忍復见也”。于是刘邦就派韩信进攻。韩信佯兵临晋（今陕西大荔县，黄河西岸，对岸才是今日的临晋），阴渡夏阳（临晋以北，即战国时魏之少梁，今陕西韩城），突袭安邑（今山西运城），俘虏了魏豹。
此时，韩信献计：“北举燕、赵，东击齐，南绝楚少粮道，西与大王会于荥阳。”刘邦派韩信和张耳领兵三万，开辟北方战线。当刘邦和项羽相持于荥阳成皋时，他在北方势如破竹。
赵歇和陈馀在刘邦彭城之败后背汉。韩信、张耳从安邑引兵东进，北击赵。
三年（前204年）后九月，韩信先破代地，兵势增强。但是刘邦在荥阳比较麻烦，就派人来把他的精兵拉到荥阳去了。
四年（前203年）十月，韩信张耳率领几万老弱病残继续东进井陉关击赵。陈馀不用广武君李左车奇计，陈兵二十万于井陉关（今河北井陉关，太行山中部）东口。韩信正面背水（河北泜河，在井陉关前）列阵，攻赵先佯败。赵军倾巢追击，汉伏兵从侧面进击占领赵军营垒，拔旗易帜。而正面佯败之汉军前临水后迫追，反身殊死作战。赵军不胜，返回营垒，见营垒被汉军占领，兵大惊而溃，阵斩陈馀，追杀赵歇。燕国不战而降。韩信请以张耳为赵王以抚赵地。汉王许之。
当初张耳陈馀皆为魏之名士，为刎颈之交，陈馀父事张耳，同志友谊不可谓不厚，到后来竟相互欲杀之而后快。不能不让人感慨万分，莫非名利有如此魔力？！
三年（前204年）初，楚军对汉军正面防线发动攻势，数次切断汉军运粮甬道。汉军兵弱粮少，请和，请以荥阳为界以东属项羽。项羽不听。七月，刘邦无奈，假降。将军纪信貌似刘邦，就冒充刘邦从荥阳城东门出来投降，项羽士兵都跑到东门来看热闹，刘邦从西门逃出，令周苛、枞公守城。项羽焚死纪信，紧围荥阳，攻占成皋。周苛、枞公怕魏豹再生事端，杀之。
为调动项羽，分散其兵力，摆脱固守城池，被动挨打的局面，刘邦采纳谋士袁生建议，于五月率军出武关，兵至宛(今河南南阳市)、叶(今河南叶县西南)，以减轻荥阳的压力。项羽急于寻汉军主力作战，果然率军自荥阳、成皋南下宛、叶。汉军坚壁不战。
这时，彭越在下邳(今江苏睢宁北古邳镇)大败项声、薛公之兵，威胁彭城。项羽又自率兵东归，击败彭越。
汉军乘机迅速北上，收复成皋。六月，项羽回军，对汉军发动第二次攻势，再占荥阳、成皋，杀死周苛、枞公，并挥军西进。汉军败至巩县(今河南巩县西南)，深沟高垒，阻击楚军。刘邦这次亲自跑到修武（今河南修武）韩信张耳军营，趁早上韩张还没起床的时机就夺了韩信张耳的军队。然后拜韩信为赵相国，令东击齐国。
刘邦得韩信兵，军势复强。为减轻正面压力，刘邦遣刘贾、卢绾率兵2万增援彭越，在楚后方攻城略地，断楚粮道，迫项羽第二次回兵东击彭越。
另外，三年十一月，遣谋士随何游说九江王英布叛楚附汉。英布据有九江(郡治寿春，今安徽寿县)、庐江(郡治舒县，今安徽庐江西南)二郡，具有相当实力。英布归汉，项羽侧翼危急，忙遣龙且进攻九江军。英布兵败，与随何亡走归汉。
刘邦达到了在南北方牵制、分散楚军之目的。
汉军趁机再次收复成皋。
项羽第二次率军东击彭越，兵至睢阳(今河南商丘西南)，闻汉军再次收复成皋，急忙引兵回救。汉军据险坚守，双方在广武(今河南荥阳东北)形成对峙。
这时，项羽的最后一个盟友齐王广也遇到麻烦。刘邦派郦食其到齐国说服田广叛楚归汉，田广同意，每天和郦食其喝酒娱乐看美女跳舞，不修战备。而之前韩信也接到刘邦攻齐的命令，快要渡黄河到平原（今山东平原县）时听说郦食其凭一张嘴就拿下齐国七十余城，心里不服气，但还是打算罢兵。蒯通看出韩信的意思，唯恐天下不乱，说你又没接到汉王不让攻打齐国的命令，为什么不能打？难道将军打了这么多仗，最后功劳还不如一个腐儒吗？韩信下定决心攻击齐国。齐国没有防御。韩信很快攻到都城临淄（今山东淄博）。田广认为郦食其在出卖自己，煮了他，然后逃到高密。韩信下临淄。
项羽正和刘邦相持于广武，听说韩信又破了齐国，就派龙且率兵救齐，号称二十万。
汉四年（前203年）十一月，龙且与田广军联合在潍河南岸列阵，韩信在北岸。韩信先派人到潍河上游垒坝塞流。接着，派一部兵力涉水进攻龙且，遇楚诈败，引诱楚军渡河。龙且以为汉军弱小，率军渡河进击。韩信待敌渡河追击时，下令决开沙袋筑成的水坝。顿时，河水直下，水位陡涨。韩信乘楚军渡河慌乱之际，回师反击，杀龙且，大败楚军，遂尽复齐地。
韩信派使者请刘邦封他为齐假王（代王，暂代之王）以抚齐民。刘邦正被项羽围困，心中焦虑，听到消息大骂，我被困在此，他不来救我还要封王！张良陈平悄悄踢他，又使眼色刘邦醒悟过来，又骂：大丈夫要当王就为真王，何须假王！封韩信为齐王，并让他发兵击楚。
至此，韩信东进2000余里，从东、北两面形成对楚军的战略包围态势，直接威胁楚大后方。
项羽听说龙且败死，大惊，派人游说韩信归楚。韩信说，原来项王没重用我，无甚恩情，现在汉王对我很好，我们之间已经产生了深厚的革命感情，不听。
彭越也一直在后方骚扰，项羽非常烦躁，要亲自带兵去征讨彭越，必欲杀之而后快。走之前，对留在荥阳的大司马曹咎说，你守在成皋就行，哪怕汉军骂你祖宗十八代你也不能出战，一切等我回来再说，我半月之内就能斩彭越之头。
项羽东归击彭越之陈留（今河南开封东南）、外黄（今河南民权县）。攻下外黄以后，项羽准备屠城。外黄县令的儿子，十三岁，对项羽说，我们直到你的威名，很仰慕你，早想投降你了，都是被彭越那个强盗逼到现在的，我们主动投降你又要杀我们，那还有谁敢向你投降啊。项羽终于听了一回劝，“赦外黄当坑者”。这样从外黄东到睢阳（今河南商丘市睢阳区）十几个城全部不战而降。就在项羽准备继续找彭越决战的时候，荥阳那边又出事了。
项羽走后，刘邦果然命汉军挑战，开始曹咎还坐得住。五六天后，估计刘邦当真让士兵骂了曹咎祖宗十八代，估计骂到他十九代的时候，曹咎才大怒引兵渡汜水击汉的。楚兵半渡，汉兵击，大败之。曹咎、司马欣、董翳（后二人在刘邦彭城之败后趁乱逃归项羽）自杀于汜水上。汉军进围楚将钟离昧于荥阳以东。
项羽正在睢阳听说曹咎兵败自杀，急忙赶回荥阳。汉兵害怕项羽，自解荥阳围。项羽也无力攻击刘邦，只好在荥阳成皋相持。
这时，楚军北有韩信据齐地威胁都城；腹地有彭越游动作战，又须分兵南据九江，以致兵力分散，腹背受敌，粮草匮乏，欲战不能。刘邦则据荥阳、成皋之战坚守不战。
四年（前202年）八月，楚军粮尽，被迫与刘邦订立和约“中分天下”，划鸿沟 (古运河，位于今河南荥阳以东)为界，东归楚，西属汉。楚汉两军在荥阳、成皋一线相持两年零五个月后，休兵罢战。
四年九月，项羽遵约东撤，刘邦亦欲西返。张良陈平认为“汉有天下大半，而诸侯皆附之。楚兵疲食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。
刘邦遂背约，追击楚军，并约集韩信、彭越南下合围。
五年（前202）十月，刘邦军追击楚军至固陵(今河南太康南)，因韩信、彭越按兵不动，未如期会师，遭楚军反击，大败，被迫坚壁自守。刘邦从张良计，分别给韩、彭割地封王。十二月，调集韩信、彭越、英布、刘贾等各路大军40万人，将10万楚军包围于垓下(今安徽灵璧)。楚军兵少食尽，屡战不胜。夜闻楚歌四起，军心瓦解。项羽率800骑突围南逃，刘邦派兵追击。项羽至乌江 (今安徽和县东北苏皖界上的乌江镇)兵败自刎。
垓下一战，刘邦全歼楚军。获得最后胜利，建立了西汉王朝。
