项羽分封完诸侯，诸侯各前往封国，项羽将义帝迁往长沙郴县，暗中令衡山王吴芮、临江王共敖于途中将义帝杀死。
汉元年（公元前206年）八月，齐、赵诸侯叛乱，项羽率军前往平乱，听闻刘邦已定关中，非常愤怒，封郑昌为韩王，派其前往阻挡刘邦，令萧公角阻击彭越。彭越击败萧公角后，张良伪作韩王书给项羽，说刘邦只想得关中，不会向东用兵，又伪作齐王、梁王书给项羽，说齐王准备和梁王齐心协力灭掉楚国。于是项羽放心攻打齐国。项羽征召九江王英布，英布托病不出，派遣手下将领只率领几千人前往，项羽因此怨恨英布。冬，项羽北至城阳，田荣引兵会战，被项羽击败，田荣逃往平原，被平原民杀死。项羽烧毁齐国房屋，将降卒全部坑杀，俘虏其老弱妇女，巡行齐地，直至北海，“多所残灭”。齐国人因此聚在一起反叛，田横趁机收编齐兵数万反攻城阳，项羽久攻不下。
汉二年（前205年）四月，刘邦率领五路诸侯兵马五十六万向东攻打楚国，占领楚都彭城。项羽听闻后，留部将继续攻齐，自己亲率精兵三万去救援彭城。刘邦攻下彭城后搜集珍宝美人，大摆宴会。项羽率军从早晨开始，由萧县从西打到东，中午时打到彭城，大破刘邦军，杀死汉兵十余万。刘邦军逃往南山，项羽率军追到灵壁东阻拦，汉兵落入睢[suī]水十余万，睢水为之不流。项羽把刘邦包围了三层，却被一阵大风吹乱楚军，刘邦趁机率领数十骑兵走脱。
刘邦逃往下邑，收集败亡散卒至荥阳，各路败军先后前来会合，萧何也发动关中没有登记在册的百姓前来投奔刘邦，刘邦因此军势得以重振。项羽乘胜来战，无法取胜。刘邦兵败彭城后，诸侯反叛刘邦，归附项羽。
汉三年（公元前204年），刘邦在荥阳修筑甬道用以过河取敖地的粮食，项羽军多次侵夺甬道，刘邦军无法取得粮草补充，非常害怕，于是与项羽议和，划分荥阳以西为汉国地盘，项羽打算同意。
项羽在范增的建议下，与范增合围荥阳，打算一举消灭刘邦。刘邦非常害怕，采取陈平的计策，离间项羽和范增，项羽于是剥夺了范增的权利。范增没有想到项羽竟然会怀疑自己和刘邦有勾结，十分气愤，于是告老还乡，但在途中病死。
项羽将荥阳的刘邦四面围定攻打，刘邦军势非常危急，部将纪信于是引两千军乘黄车假扮刘邦出城，说刘邦愿意投降，项羽赶来见到纪信问刘邦在哪，纪信说刘邦已经逃走了，项羽于是将纪信烧死。
汉四年（公元前203年），项羽攻下荥阳，处死荥阳守将周苛、枞公。而刘邦走宛、叶，派人说服英布背叛项羽，进入成皋。项羽得知后迅速率兵前来攻打，夺下成皋，一路西进。刘邦逃亡巩县，派重兵阻挡，项羽无法挺进。
此时，彭越渡河攻击东阿，楚将薛公兵败身死，项羽于是亲自率军攻打彭越，彭越败走，但成皋却被刘邦趁机夺下。项羽回军与刘邦对峙于广武，相持了几个月。项羽向刘邦单挑，但刘邦不肯，于是，项羽派壮士出来挑战，但被楼烦将射杀。项羽大怒，身披铠甲手持长戟来挑战，楼烦将准备射项羽，项羽怒目而视，将楼烦将吓得不敢出来。刘邦听闻后，出来和项羽对话，项羽又向刘邦挑战，刘邦不从，项羽以弩射伤刘邦，刘邦退入成皋。
韩信于河北攻破齐、赵等国，并准备进攻楚国，项羽派项它为大将、龙且为裨将前往进攻韩信，但龙且却被韩信所破杀，这时，彭越又于谷城复出，项羽大怒，亲自前往救援，留大司马曹咎原地待守，并告诫他不要出战，只需守住十五日即可。于是项羽东击陈留、外黄，曾欲坑杀外黄抵抗者，但因外黄小儿之劝而放弃，各城听说后争相归降，项羽一路进军至睢阳。在此期间，曹咎不顾项羽的警告，被刘邦的挑战所激怒，引兵渡汜水，汉军趁机发动进攻，大破曹咎军。项羽听闻曹咎兵败，引兵而回。这时，汉军正于荥阳东围攻钟离眜，听到项羽回来了，非常害怕，全部退走。
项羽腹背受敌，又粮草不继，于是，送还刘邦家眷，与刘邦签订盟约，以鸿沟为界，中分天下。
鸿沟和议后，项羽引兵东归，刘邦却趁这个时候突然撕毁盟约，追击项羽，想要把项羽一举消灭。但和刘邦约定一起出兵的韩信和彭越却没有来。项羽引兵反击刘邦，大破汉军，刘邦于是深沟高壑，坚守不出。
刘邦以加封土地为条件，说动韩信从齐地南下，占领楚都彭城和今天苏北、皖北、豫东等广大地区，兵锋直指楚军侧背，自东向西夹击项羽；梁王彭越率军数万从梁地出发，先南下后西进，与刘邦本部军共同逼楚军后退；汉将刘贾率军数万会同九江王英布、合兵十万，自淮北出发，从西南方发动对楚地的进攻，先克寿春，再攻下城父并将此城军民全部屠尽；而镇守南线的楚将大司马周殷此时叛楚，屠灭六县，再与英布、刘贾会师，随后，北上合击项羽；同时，得到关中兵丁补充的刘邦则率本部军二十万出固陵东进；汉军五路大军、合计近六十万之众，形成从西、北、西南、东北四面合围楚军之势，项羽被迫率十万楚军向垓下后撤。
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