漢紀元二年夏天四月，田榮的弟弟田橫收攏幾萬人，再立田榮的兒子田廣為齊王。項羽已經知道漢軍向東進攻的消息，還是率領楚軍在齊國鎮壓反叛，打算打敗齊國之後，再回過頭來迎擊漢軍。漢王劉邦抓住這個時機，率領五路諸侯聯軍，浩浩蕩蕩地向東討伐西楚霸王。大軍到了外黃縣，彭越率領三萬軍隊，歸附漢王。漢王拜彭越為魏國丞相，讓彭越率軍平定魏（梁）國領地。而後漢王率領大軍攻進項羽的都城——彭城，將項羽宮殿中的美人、寶物盡收入囊中。諸侯將領在楚國王宮中擺開酒宴，盡情歡宴，暢飲美酒，歡呼勝利。項羽在齊國聽到都城被占的消息，命令手下將領在齊國繼續鎮壓，項羽親自率領三萬精兵，從齊國魯縣穿過胡陵縣，抵達蕭縣。淩晨時分，楚軍向聯軍發起猛攻，在彭城靈壁東邊的睢水河邊，楚軍與聯軍大戰，楚軍大敗聯軍，聯軍死傷無數，睢水河上，由於屍體雍塞，睢水為之不流。楚軍將漢王裏三層，外三層地包圍起來。大風此時從西北方向驟然刮起，吹得飛砂走石，天昏地暗，房倒屋塌，樹木折斷。在外圍的楚軍一時間大亂，劉邦乘此機會，與幾十位騎兵衝出重圍。此時的劉邦，已經是惶惶如喪家之犬，帶著殘兵經過沛縣，派人去尋找留在沛縣的家眷，家人此時已經逃得無影無蹤，派去的人沒有找到劉邦的家眷。巧合的是在途中，漢王碰上兒子——後來的孝惠帝劉盈，還有女兒——後來的魯元公主，劉邦將兩個孩子拉上車子，急急忙忙地趕路。後邊的楚軍騎兵仍然在窮追不舍，劉邦此時被追昏了頭，情急之下，將兩個孩子從車上踢了下來。滕公夏侯嬰為劉邦駕車，見此情景，急忙下車，將兩個孩子重新抱回車中，最終擺脫了追兵，脫離了險境。審食其帶著劉邦的父親劉太公、劉邦的妻子呂雉從小路逃亡，結果撞上楚軍，成為項羽的人質，項羽將劉太公和呂雉羈押在軍營中。諸侯聯軍遭到如此殘敗，紛紛竄逃。塞王司馬欣、翟王董翳隨後投降項羽，殷王司馬卬在亂軍中被殺。
呂雉的哥哥呂澤，此時率領部分漢軍，駐紮在下邑縣，劉邦率領殘部前往呂澤處，暫時安頓。接著收攏打散的漢軍，駐紮在碭山縣。
漢王向西穿過魏（梁）地，到達虞縣，對跟隨的謁者隨何說：“你是否能夠前去遊說九江王英布，說動他背叛項羽，項羽的軍隊肯定會去攻打英布。隻要英布能夠拖住項羽幾個月，我奪取天下就有了希望。”隨何帶著漢王交代的使命，前去遊說英布，遊說成功，九江王英布背叛楚霸王項羽。
漢紀元二年五月，漢王劉邦將軍隊駐紮在滎陽縣，蕭何征調關中五、六十歲的老者和不到服役年齡的青年，到漢軍中來報到。韓信也率領部隊與漢王會合，漢軍重新大振。劉邦率領加強的漢軍與項羽在滎陽縣南，京縣與索邑之間展開拉鋸戰。這一次，漢軍拚死抵抗，終於擋住楚軍的攻勢。劉邦開始修築甬道，直達黃河邊，用以獲取敖倉的糧食。魏王豹向漢王請假回家探視母親。過了黃河後，魏豹隨即宣布脫離漢王陣營，而後封鎖黃河渡口，投降楚霸王項羽。
漢紀元二年六月，漢王劉邦回到關中櫟陽縣。六月六日，立兒子劉盈為太子，大赦天下罪人。漢王命令諸侯的兒子，凡是在關中的，均要到櫟陽縣集中，擔任衛士。漢軍引河水淹灌廢丘城，廢丘投降，雍王章邯兵敗自殺。雍地全部平定，劉邦共獲取八十餘縣，隨後設置河上郡、渭南郡（後來的京兆尹）、中地郡（後來的右扶風）、隴西郡、上郡。劉邦命令負責祭祀的官員，按照規定的時間，祭祀天地、四方、山川諸神靈。調集關中漢軍駐守在邊塞。這一年關中鬧災荒，每一斛米價值萬錢，出現人吃人的情況。漢王劉邦安排關中的百姓到蜀郡就食。
漢紀元二年秋天八月，劉邦又回到滎陽，劉邦對酈食其說：“你到魏王那裏去，好言規勸魏王豹投降漢軍，如果你能夠說動魏王豹，我拿魏地的一萬戶，封予你做食邑。”酈食其去了，但是沒有說動魏豹。劉邦隻好任命韓信為左丞相，命令曹參、灌嬰配合韓信，進攻魏王豹。酈食其返回後，劉邦問：“魏王領兵的大將是誰？”酈食其說：“是柏直。”漢王說：“這是個乳臭未幹的毛孩子，他不是韓信的對手。魏王的騎兵將領是誰？”回答說：“是馮敬。”劉邦說：“是秦國將軍馮無擇的兒子嗎？這是一位賢將，但他抵擋不住灌嬰。步兵將領是誰？”回答說：“是項它。”劉邦說：“他也不是曹參的對手。我放心了。”到了九月，韓信與各位將領俘虜魏豹，向滎陽報告好消息。西魏國得以平定，劉邦在西魏國故地設置河東郡、太原郡、上黨郡。韓信向劉邦請求撥予三萬漢軍，願意率領這隻漢軍向北，一舉平定燕國和趙國，再向東進攻齊國，而後向南阻斷楚王項羽的糧道。漢王劉邦批準了韓信的請求。
漢紀元三年冬天（公元前204年）十月，韓信、張耳率領的漢軍向東抵達井陘，進攻趙國，斬殺陳餘，俘虜趙王歇。漢王在趙國故地設置常山郡、代郡。十月三十日，天上出現日食。十一月二十九日，天上出現日食。
由於隨何策反英布成功，英布率領軍隊進攻楚霸王項羽在楚國的後方。楚霸王命令項聲、龍且率領楚軍反擊英布，英布與楚軍交戰不利。漢紀元三年十二月，英布與隨何從小路跋涉來到漢軍大營。漢王劉邦為英布補充軍隊，讓英布率領這隻漢軍回去收攏自己打散的軍隊，而後劉邦返回成皋縣。
項羽派兵多次截斷漢軍運糧的甬道，漢軍糧草麵臨著斷絕的危險，劉邦與酈食其商議，如何削弱楚軍的力量。酈食其獻出一個主意，立戰國時六國君主的後代，讓他們重新複位來幫助漢軍，劉邦沒有仔細考慮，即派人去刻製六國王印，準備派遣酈食其分頭去任命六國君主的後裔。做完這件事，劉邦又與張良商議，張良提出八條否定的意見，說明做這件事情的危害。漢王劉邦聽完張良的分析，口裏還含著一口飯，吐了出來，罵道：“這個混蛋腐儒，差點兒壞了老子的大事！”馬上命令將已經刻製好的六國王印銷毀。又與陳平商議如何削弱楚軍的力量，陳平獻出一條離間計。劉邦按照陳平的建議，交予陳平四萬斤黃金，不問用處，讓陳平去離間楚國君臣。
漢紀元三年夏天四月，項羽率領楚軍在滎陽外圍團團圍困住劉邦率領的漢軍，劉邦看到情況危急，請求講和，提出分割滎陽以西歸漢國所有。亞父範增勸項羽乘著漢軍處於生死攸關的時刻，攻下滎陽，劉邦的情況更加危急。此時陳平采用的反間計，發揮了作用，項羽懷疑亞父的忠心。亞父範增忠心耿耿，看到項羽居然懷疑自己，大怒，遂離開項羽，在返回家的途中，發病而死。
漢紀元三年五月份，劉邦手下將軍紀信說：“情況已經非常緊急！臣想了個計策：請讓臣假扮作君王，欺騙楚軍，然後君王乘亂之機，混出包圍圈。”陳平於是乘著夜色將兩千餘名女子打扮作漢軍，從東門衝出去，楚軍立即將其包圍。與這些女子一起，紀信乘著漢王平時乘坐的一輛車子，上麵裝飾有黃色車蓋，左邊插著犛（máo）牛尾。紀信大聲喊道：“軍糧已經耗盡，漢王請求投降楚軍。”楚軍高呼萬歲，均跑到東門來圍觀，劉邦乘機與數十名騎兵從西門逃了出去。逃跑前，劉邦命令禦史大夫周苛、魏豹、樅公繼續固守滎陽。項羽認出來捕獲的是紀信，項羽問紀信：“漢王現在何處？”紀信回答：“漢王已經逃出去了。”項羽氣的將紀信架在火上燒死。城裏的周苛、樅公商議後說：“魏豹是一位反複無常的小人，與這樣的人一起守城很危險。”於是將魏豹抓了起來，殺掉魏豹。
漢王逃出滎陽，來到成皋縣。在成皋作短暫停留，而後漢王離開成皋，返回關中，整頓漢軍，準備再次東征。手下謀士轅生為漢王出主意，轅生說：“漢軍與楚軍在滎陽地區展開拉鋸戰，已經持續有幾年時間，漢軍常常受困。此次漢軍出兵，最好從武關出擊，項王一定會率領楚軍向南迎擊漢軍，君王此時可以深溝高壘，拒不應戰，讓滎陽、成皋地區暫且獲得修整時間。再命令韓信等人，率領漢軍盡快平定黃河以北的趙國、燕國和齊國，而後，君王重新返回滎陽，到那時，雙方力量的對比，將會發生根本性轉變。如此以來，楚軍將要對付多路漢軍，力量一旦分散，漢軍即可抓住機會，一來分散楚軍造成的壓力；二來有了充分的休息時間，最後再集中漢軍主力，與楚軍決戰，一定能夠致楚軍以死命。”漢王認為這個戰略製定得很好，遂率領大軍出武關，在宛縣、葉縣之間，與黥布合兵一處，一路上大肆擴軍。
項羽聽說漢王劉邦在宛縣出現，果然率領大軍向南，迎擊漢軍，漢王此次深溝高壘，不再與楚軍正麵交鋒。在同一個月，彭越渡過睢河，與項聲、薛公率領的楚軍在下邳大戰，將留守的楚軍打得大敗，同時斬殺薛公。項羽命令終公固守在成皋，項羽親自率領楚軍從東邊進攻彭越。漢王乘此機會率領漢軍向北，打敗終公，重新占領成皋。漢紀元三年六月，項羽已經打敗彭越，彭越率領殘軍退走。項羽聽說漢軍重新占領成皋，隨即率領楚軍向西猛攻滎陽，終於奪取滎陽城，活捉周苛。項羽對周苛說：“投降吧，我可以封你為上將軍，賞賜你三萬戶食邑。”周苛對著項羽大罵：“你再不快些投降漢軍，就要成為漢軍的俘虜了，你根本不是漢王的對手。”項羽用鼎烹殺了周苛，又殺掉樅公，俘虜韓王信，然後揮軍包圍成皋。劉邦此次隻好又輕裝簡從，與滕公一起乘坐一輛車，從成皋北門逃出，一路向北，渡過黃河，來到小修武。而後劉邦假冒使者，清晨單車馳入張耳、韓信的軍營中，在他們還未查覺的情況下，奪去二人的軍權。劉邦命令張耳向北，在趙國繼續征兵。
漢紀元三年秋天七月，天空大角星方位出現彗星。漢王有了韓信的這支生力軍，漢軍士氣又重新大振。漢紀元三年八月間，劉邦將軍隊布置在黃河沿線，麵對著南麵的黃河，指揮部設在小修武，準備與楚軍再次交戰。劉邦手下一位郎中，名字叫做鄭忠的勸說漢王，漢軍此時最好是深溝高壘，不急於與楚軍開戰。漢王認為鄭忠講的有道理，隨即命令盧綰、劉賈率領二萬漢軍，包括數百名騎兵，從白馬津渡過黃河進入魏（梁）地，協助彭越燒毀楚軍的糧草和後勤輜重，又在燕縣城郭西邊大敗楚軍，攻占睢陽縣、外黃縣等十七座城邑。漢紀元三年九月，項羽對海春侯大司馬曹咎說：“將軍小心守衛住成皋。如果漢王前來挑戰，千萬小心，不要與漢軍接戰。隻要漢軍不能向東，我們就達到了目的。在十五日內，我一定會平定梁地，而後再返回來與將軍回師。”項羽率領楚軍向東迎擊彭越。
漢王讓酈食其去說服齊王田廣，撤除齊軍對漢軍的防備，與漢軍聯合起來抗擊楚軍。
漢紀元四年冬天（公元前203年）十月，韓信采納了蒯通的建議，率領漢軍襲擊齊軍，大敗齊軍。齊王田廣認為酈食其欺騙自己，烹殺酈食其，率領齊國殘軍向東，逃往高密縣。項羽聽說韓信已經打垮齊國，正在整軍，準備進攻楚軍，即刻派龍且前往齊國，救援齊王。
漢軍果然在成皋城外向楚軍挑戰，楚軍堅守不出，漢軍於是在城外連續幾天地高聲叫罵，大司馬曹咎忍無可忍，終於率軍渡過汜（sì）水河，部隊剛渡過一半，漢軍發起攻擊，大敗楚軍，繳獲了大量的金玉財寶。大司馬曹咎和長史司馬欣在汜水岸邊自殺。漢王劉邦率領大軍渡過黃河，再次占領成皋，劉邦率領漢軍駐紮在廣武縣，靠近敖倉，就近獲取軍糧。
項羽收複魏（梁）地十餘座城邑，聽說海春侯曹咎戰敗身亡，馬上率領楚軍殺回。漢軍此時正在滎陽東邊圍困鍾離眜，聽說項羽率領楚軍殺到，嚇得四下逃竄，躲避楚軍。項羽也將楚軍駐紮在廣武縣，隔著一條廣武澗，與漢軍對峙。兩軍將士，由於連年征戰，此時已經是疲憊不堪，年老的、身體差的還要轉輸軍糧。漢王劉邦、楚王項羽隔著廣武澗相互指責。楚王項羽提出要向漢王劉邦單獨挑戰，劉邦指著項羽說：“我最初與你一起受命於懷王，共同約定，先進入關中者稱王。你卻事成後違背約定，將我貶黜到蜀漢為王，這是你的第一宗罪；你假借王命誅殺卿子冠軍宋義，自封為將軍，這是你的第二宗罪；你救援趙國後應該向懷王奏報，卻擅自合並諸侯軍隊，進入函穀關，這是你的第三宗罪；懷王早就有詔命，進入秦地後，嚴禁燒殺搶掠，你進入鹹陽後，卻大肆焚燒秦廷宮室，挖掘始皇帝的陵寢，搶掠秦地的財物，這是你的第四宗罪；你擅自殺害秦降王贏子嬰，這是你的第五宗罪；你用欺詐手段，在新安縣坑殺已經投降的秦軍二十萬人，把秦軍降將封為諸侯王，這是你的第六宗罪；你分封諸侯王不公，自己親近的人，封到好地方，並且趕走六國君主的後代，致使天下紛擾，臣下叛逆，這是你的第七宗罪；你把義帝趕出彭城，自己霸占彭城設都，奪取韓王的土地，將梁國土地合並進楚國，這是你的第八宗罪；你派人在江南殺害義帝，這是你的第九宗罪；你身為人臣卻殺害君主，戰勝敵人而殺其降軍，你為政不平，立約不信，天下人忍無可忍，都認為你是大逆不道，這是你的第十宗罪。我今天率領義軍與各路諸侯討伐殘賊，為了受到你殘害，還沒有死去的人，向你討回公道，我為何要與你單打獨鬥！”項羽聽到此，肺都氣炸了，埋伏的弓弩手連發弩箭，射中漢王劉邦，劉邦胸部受傷，此時卻急中生智，摸著腳說：“賊虜射傷了我的腳！”漢王劉邦傷勢很重，躺臥在軍營中，張良勸劉邦掙紮著起來，在軍營中巡視，以穩定軍心，不要讓楚軍抓住機會。劉邦掙紮著坐起來，在軍營裏巡視一周，傷勢很重，隻得用車子載著，飛快地馳入成皋，修養弩傷。
漢紀元四年（公元前203年）十一月，韓信與灌嬰率領的漢軍大敗援齊的楚軍，斬殺楚將龍且，大軍追至城陽縣，俘虜齊王田廣，齊國丞相田橫自立為齊王，前去投奔彭越。漢王劉邦立張耳為趙王。
漢王的傷情逐漸痊愈，又西入函穀關，返回關中，抵達櫟陽縣，慰問秦地的父老鄉親，置辦酒宴招待百姓。而後漢王劉邦將塞王司馬欣斬首，頭顱懸掛在櫟陽的鬧市中示眾。在櫟陽停留四天後，劉邦返回軍中，繼續在廣武縣與楚軍對峙。關中征調來的士兵源源不斷地補充進漢軍，彭越、田橫率領的軍隊駐紮在梁地，也在不斷地騷擾著楚軍後方，截斷楚軍糧道。
韓信此時已經完全控製了齊國，韓信派人向漢王請求：“齊國南邊緊靠楚國，臣在齊國，權力很輕，不足以穩定齊國，請求漢王允許，讓臣在齊國暫時代理齊王，否則難以安定齊國。”漢王聽到這樣的請求，勃然大怒，衝動之下，就要對韓信用兵。張良在一旁勸阻，張良說：“不如因勢利導，就此任命韓信為齊王，讓韓信守住齊國，擋住項羽。”漢紀元四年春天二月，劉邦派張良帶著一枚齊王印，正式立韓信為齊王。漢紀元四年秋天七月，漢王立黥布為淮南王。八月，開始征收算賦（漢製，百姓十五至五十六歲，每人每年征收一算錢，共一百二十錢，專供軍用）。北部塞外的貉（mò）人、燕人也派出精銳騎兵，前來援助漢王。漢王劉邦下令：軍中不幸戰死者，官吏為死者準備葬衣、棺材，送回家去。由於實行了很多惠民政策，劉邦已經徹底征服民心。
項羽已經感覺到民心離散，軍糧難以為繼，韓信此時也準備從齊國向楚軍進攻，項羽更加憂慮。漢王劉邦派陸賈前來與項羽談判，請求項羽釋放劉太公，項羽最初不答應。劉邦再次派侯公來說服項羽，項羽終於答應與劉邦簽訂協約，平分天下，以鴻溝為界，鴻溝以西屬漢，鴻溝以東屬楚。漢紀元四年（公元前203年）九月份，項羽釋放劉太公和呂雉，漢軍歡呼萬歲。劉邦封侯公為平國君。項羽整頓楚軍，準備向東撤退。劉邦也在整頓漢軍，準備向西撤退，返回關中，張良和陳平勸說漢王劉邦，他們說：“今天的漢國，已經擁有天下一大半的土地，天下百姓歸心，各路諸侯已經歸附君王，楚軍現在是兵困糧盡，這是上天要滅亡楚國的最好時機，如果君王不能在此時抓住機會，取得完勝，將來隻怕會養虎為患。”漢王劉邦同意他們的見解。