居鄛縣人範增此時已經七十餘歲，是一位足智多謀的老人，前來遊說項梁，範增說：“陳勝失敗是必然的。秦滅六國，楚最無辜，自從楚懷王入秦，沒有返回，楚人至今為之歎息，因此楚南公說‘楚雖三戶，亡秦必楚。’今天陳勝首舉義旗，不立楚王的後人為王，他的事業怎麼可能長久。現在君在江東起兵，楚地諸路將領紛紛歸附將軍，就是因為將軍家世代擔任楚將，希望將軍能夠擁立楚國國君的後人為王。”項梁於是在民間找到楚懷王的孫子熊心，熊心當時正在民間為人牧羊，項梁與義軍眾將領共同擁立熊心為楚懷王，以爭取百姓歸心。楚懷王封陳嬰為上柱國，享受五個縣的食邑，陳嬰與懷王一起駐守在盱眙縣，義軍將盱眙縣暫定為楚國都城。項梁自號為武信君，率領義軍進攻亢父縣。
此前，章邯在臨菑殺了齊王田儋，田假自立為齊王。田儋的弟弟田榮敗逃至東阿縣，章邯率領秦軍追趕上來，包圍東阿縣。項梁率領援軍前往救助東阿，在東阿縣大破秦軍。田榮隨後率領齊軍返回齊地，趕走齊王田假。田假逃亡至楚國，丞相田角逃亡至趙國。田角的弟弟田間，是原齊國將軍，留在趙國不敢返回。田榮遂立田儋的兒子田市為齊王。項梁在東阿縣打敗秦軍，乘勝追擊。還多次催促齊國派出軍隊一起向西進攻。田榮說：“楚國能夠殺掉田假，趙國能夠殺掉田角、田間，我就出兵。”項梁說：“田假做過齊的國王，勢窮力竭，前來投我，不忍心殺他。”趙國也不願意殺田角、田間，與齊國做交易，齊國遂不肯出兵幫助楚國。項梁派出項羽和沛公劉邦，率領另一隻楚軍進攻城陽縣，城破之後，大肆屠城。楚軍向西在濮陽東邊，打敗秦軍，秦軍收攏部隊退入濮陽縣。沛公劉邦、項羽進攻定陶縣。定陶縣沒有攻下來，楚軍退走，義軍向西進攻雍丘縣，大破秦軍，斬殺郡守李由。而後還軍攻打外黃縣，外黃縣沒有攻下來。
項梁從東阿縣出發，一路殺向定陶，再次大敗秦軍，項羽等人又斬殺了郡守李由，項梁對秦軍，已經有了輕敵意識。宋義勸諫項梁：“打了勝仗，將軍驕傲輕敵，士卒們即會麻痹大意，這是失敗的先兆。這種先兆現在已經顯露，秦軍又在日益增多，臣為君擔心。”項梁不聽勸諫。派宋義出使齊國。途中遇到齊國來的使者高陵君顯，宋義問高陵君：“公要見武信君嗎？”回答說：“是。”宋義說：“我看武信君必敗。公還是慢些走，走快了恐怕要大禍臨頭。”秦軍果然向章邯增兵，章邯率領秦軍進攻楚軍，乘著夜色，章邯命令秦軍銜枚而進，在定陶縣大敗項梁，項梁戰死。沛公劉邦與項羽離開外黃縣，進攻陳留縣，陳留縣的守軍堅守，城沒有攻下來。沛公、項羽二人商量撤軍，說：“現在項梁率領的楚軍剛剛戰敗，軍心不穩。”於是與呂臣一起率領軍隊向東轉移。呂臣率軍駐紮在彭城（今江蘇省徐州市）東邊，項羽率軍駐紮在彭城西邊，沛公劉邦率軍駐紮在碭縣。
章邯打敗了項梁率領的楚軍，認為楚國義軍已經不足掛慮，於是率領秦軍渡過黃河，向北進攻趙國，大敗趙軍。此時，趙歇是趙王，陳餘為將軍，張耳為趙國相，趙歇與張耳率領趙軍退入巨鹿城。秦將王離、涉間遂將巨鹿城團團圍困，章邯率軍在南邊，修築甬道運輸糧草。陳餘率領數萬趙軍，駐紮在巨鹿城北邊，號稱河北軍。
宋義在途中遇到的齊國使者高陵君顯來見楚懷王，高陵君說：“宋義說武信君必敗，幾天後果然戰敗。仗還沒有打，就能看出失敗的先兆，可謂是懂兵。”楚王召宋義，與宋義談論軍事，很欣賞宋義的才能，於是拜宋義為上將軍；拜項羽為魯公，作為宋義的副將，拜範增為末將。其餘將軍統歸宋義指揮，宋義號稱卿子冠軍，率領楚軍向北救援趙國，抵達安陽，宋義即按下楚軍，不再采取下一步行動。秦二世三年（公元前207年），項羽對宋義說：“現在秦軍圍困巨鹿，我們必須抓緊時間，渡過漳河，楚軍在外邊進攻，趙軍在城內響應，一定能夠打敗秦軍。”宋義說：“不然。拍打牛虻的力量不能用來對付虱子。秦國攻打趙國，戰勝則兵疲，我承其疲敝；不勝，我可以引軍向西，一舉打敗秦軍。現在先讓秦軍、趙軍兩軍廝殺。衝鋒陷陣，我不如將軍；運籌謀劃，將軍不如我。”宋義隨即向全軍下令：“猛如虎，倔如羊，貪如狼，違抗軍令者，一律斬首。”接著宋義派兒子宋襄前往齊國聯絡，宋義親自送至無鹽縣，擺設酒宴。當時天寒下雨，士卒們又凍又餓。項羽說：“我們要趕快向秦軍發起進攻，不可在此地久留。今年糧食歉收，百姓饑困，軍糧隻能摻著豆子吃，而且軍糧將要耗盡，宋義居然還在大擺酒宴，不率領軍隊渡過漳河到趙國補充軍糧，與趙軍合力一處進攻秦軍，卻胡說什麼‘承其疲敝’。以秦軍的強大，進攻剛剛建立的趙國，隻會是一舉滅掉趙國。趙國被滅，秦軍隻會更加強大，還承什麼疲敝！而且楚軍剛被打敗，楚王坐不安席，將境內所有的楚軍交予宋義，國家安危，在此一舉。不去鼓勵士卒，卻在那裏大擺酒宴，這不是社稷之臣應該做的。”項羽淩晨去見上將軍宋義，在宋義的營帳中，將宋義斬首。從營帳中出來，項羽號令全軍說：“宋義與齊國串通，背叛楚國，楚王下密令，讓我斬殺宋義。”諸將拜服項羽，沒有人敢提出異議。大家都說：“首先舉事起義的，是將軍家。今天將軍又誅殺了叛賊。”於是眾將擁立項羽為代理上將軍。派人追殺宋義的兒子，一直追至齊國，將宋義的兒子宋襄殺掉。派桓楚向楚王報告事情經過。楚王派來使節任命項羽為上將軍。
項羽殺了卿子冠軍宋義，威震楚國，名冠諸侯。項羽當即派當陽君英布、蒲將軍率領楚軍二萬人渡過漳河救援巨鹿，戰事有所進展，陳餘再次請求楚軍增兵，項羽親自率領楚軍渡過漳河。渡河之後，鑿沉渡河的船隻，打碎煮飯的炊具，燒毀營帳，而後命令將士們，每人攜帶三天的幹糧，項羽向全軍將士展示必死的決心，不允許有絲毫退意。繼而楚軍包圍王離的秦軍，與秦軍九戰，斷絕秦軍運糧的甬道，大破秦軍，斬殺蘇角，擒獲王離，涉間不降，自焚而死。在當時，楚軍的戰鬥力遠超出其它諸侯的軍隊。救巨鹿的諸侯援軍建立起十幾處壁壘，沒有一路援軍敢於走出來相助。眼看著楚軍打垮秦軍，觀戰的諸侯援軍，在壁壘後邊看得目瞪口呆，隻見在戰場上，楚軍將士以一當十，喊殺聲響徹雲霄，諸侯援軍嚇得膽戰心驚。等到秦軍戰敗，項羽召見諸侯將領，諸侯將領進入楚軍轅門，雙膝跪下前行，不敢仰視，項羽從此後成為統率諸侯聯軍的上將軍，可以任意調動諸侯的軍隊。
章邯率領戰敗的秦軍駐紮在棘原，項羽率領楚軍駐紮在漳河以南，兩軍對峙。秦軍屢戰屢退，二世皇帝派人警告章邯。章邯內心恐懼，派長史司馬欣向秦廷奏報戰事，抵達鹹陽，趙高讓司馬欣留在司馬門三天，不予以接見，對章邯率領的秦軍表示出不信任。長史司馬欣惶恐不安，悄悄溜走，不敢從原路返回。趙高果然派人在後邊追趕，沒有追上。司馬欣回到秦軍中，報告章邯說：“事情已經無可挽回。相國趙高專權跋扈。打勝了，趙高會妒忌我們的功勞；打敗了，不免一死。希望將軍能夠深思。”陳餘也給章邯寫信說：“白起作為秦軍名將，南並鄢、郢，北坑馬服，攻城略地，難以勝數，最終還是被秦王賜死。蒙恬作為秦軍名將，北逐戎狄，開辟榆中數千裏，最終卻被皇帝在陽周殺頭。為什麼？因為他們的功勞太大，秦廷不能再封，隻好用秦國的法律殺頭。而今將軍為秦廷帶兵，前後三年時間，戰死的秦軍有十幾萬，而諸侯的義軍卻是越打越多。趙高在朝中諂諛日久，現在的情況緊急，趙高害怕二世皇帝怪罪，也會用秦國法律殺掉將軍，以嫁禍責任，而後再找人代替將軍，免除他的罪責。將軍在外時間很久，朝中的對頭又多，有功亦誅，無功亦誅，現在上天要滅亡秦國，連傻瓜都能看得出來。將軍內不能為自己申冤，外已經成為亡國將軍，孤立無援，還想自我保全，這怎麼可能！將軍不如與諸侯軍隊聯合起來，南麵稱王，總比身伏斧锧，讓妻子、兒女陪著殺頭強吧？”章邯仍然在猶豫徘徊中，暗地裏派出軍候始成聯係項羽，希望能夠達成協議。協議還未達成，項羽派遣蒲將軍率領義軍從三戶渡過漳河，在漳河南岸紮下軍隊，與秦軍大戰，再次打敗秦軍，項羽率領所有的義軍在漳河支流汙水上再次進攻秦軍，又大敗秦軍。
章邯隻得派出使臣再次求見項羽，希望能夠與義軍達成協議。項羽召集將軍們商議，說：“現在軍糧匱乏，我想與秦軍就此達成協議。”將軍們均讚成，大家都說：“就這樣決定吧”。項羽於是與章邯在洹水南岸的殷墟上見麵，達成協約。協約簽訂後，章邯在項羽麵前流下眼淚，痛訴趙高對自己的迫害。項羽立章邯為雍王，留在軍中。任命長史司馬欣為上將軍，率領投降的秦軍在前麵帶路。
漢紀元元年（公元前206年），項羽率領諸侯聯軍，大約三十萬人，一路進攻抵達河南郡，而後向西抵達新安縣。在秦朝統治時，各路諸侯率領的義軍，有些人因為服徭役或者服兵役曾經到過秦地，秦地的官吏和百姓們對待他們非常無禮，現在秦軍投降了義軍，義軍官兵們也乘勝汙辱這些從秦地走出來的秦軍，甚至像奴隸一樣地對待他們。秦軍官兵私下裏議論紛紛：“章將軍誘騙我們投降諸侯，今天能夠打進函穀關，攻入關中還好；如果不能，諸侯聯軍脅迫我們向秦國進攻，秦國一定會殺掉我們的父母妻子。”下邊的義軍將士們聽到這樣的議論，報告項羽。項羽遂召集英布、蒲將軍商議，項羽說：“秦軍投降的官兵數量很多，他們內心不服，到了函穀關，如果不服從命令，情況將會非常危險，不如現在就把他們徹底解決掉，隻帶著章邯、長史司馬欣、都尉董翳進入關中。”於是當夜將投降的二十餘萬秦軍將士全部坑殺。
抵達函穀關，發現有部隊在守關，義軍不能進去。又聽說沛公劉邦已經占領鹹陽，項羽大怒，命令當陽君英布率軍打破函穀關。而後項羽率領著大軍浩浩蕩蕩地開進函穀關，抵達秦地戲水西邊的鴻門，又聽說沛公劉邦要在關中稱王，獨霸秦廷府庫中收藏的所有珍寶。亞父範增此時也大怒，勸諫項羽進攻沛公劉邦。項羽於是令全軍將士們飽餐一頓，準備第二天清晨即與劉邦率領的義軍會戰。項羽的叔父項伯與劉邦的謀士張良，過去有著很好的私人關係。張良此時正在劉邦軍中，項伯半夜裏秘密地來到劉邦營地，通知張良躲避。張良與項伯一起去見劉邦，劉邦通過項伯向項羽解釋，希望解除這場危機。第二天，劉邦親自帶領一百餘名騎兵來到鴻門向項羽謝罪，一再卑言解釋：“封閉秦廷的府庫，還軍霸上，是為了等待大王，關閉函穀關，是為了防備盜賊，不敢與大王對抗。”項羽聽信了劉邦的解釋，範增卻想謀害劉邦，幸虧張良、樊噲的協助，劉邦才得以脫險。（詳情記載在《高帝紀》中）。
此後數日，項羽率軍進入鹹陽城，縱兵大肆燒殺搶掠，殺害了投降的秦王子嬰，焚燒秦廷宮室，大火三月不熄；將秦廷宮室中收藏的金銀財寶搜刮一空；將秦廷宮室中的美女，用車子統統載運出函穀關。秦地百姓對項羽所做的一切大失所望。當時有位韓先生，來勸說項羽，韓先生說：“關中憑借著華山黃河天險，還有著四座堅固的城關，土地肥沃，是一個可以稱霸的地方。”項羽看到秦廷的宮室已經被焚毀，又思念故土，隻想著東歸，就說：“富貴不還故鄉，如同穿著錦繡衣服，在夜間行路。”韓先生說：“怪不得有人說，楚人是洗過澡的猴子，隻會學著人戴帽子，一點不錯。”項羽聽了此話，大怒，隨即殺了韓先生。
當初，楚懷王熊心與諸將約定，先進入關中者在秦地稱王。項羽想背棄盟約，就又派人向楚懷王請示如何踐約。楚懷王說：“按照原來的約定辦。”項羽憤憤地說：“懷王，是我們家武信君立的，沒有尺寸功勞，憑什麼由他來決定盟約？天下大亂時，立戰國諸侯王的後裔為楚王，是為了討伐秦國。可是披堅執銳，在野外風餐露宿，南征北戰三年，滅秦定立天下者，是將軍們與項藉我，拚死拚活掙來的結果。楚懷王有什麼功勞，分給他一塊土地，讓他稱王就不錯了。”各位將軍都說：“說得對。”項羽於是假意尊懷王為義帝，項羽說：“古時候的帝王，地廣千裏，要住在大河的上遊。”項羽於是將義帝遷往長沙國，在郴縣（今湖南省郴州市汝城縣）設都。隨後與諸侯們一起瓜分天下，項羽親自主持分封。
項羽和範增對沛公劉邦仍然心存疑忌，表麵上雖然和解，因為違背了先入秦地為王的約定，也擔心著諸侯會以後算賬，就暗地裏商量：“巴郡、蜀郡道路艱險，當年秦國流放犯人，均安置在那裏。”於是辯稱：“巴郡、蜀郡也是關中。”項羽立沛公為漢王，封國在巴郡、蜀郡，後來又加上了漢中。將關中土地分為三個諸侯國，封予秦國投降的三位將領，讓他們阻擋住漢軍通往關外的道路。項羽立章邯為雍王，以鹹陽以西的土地，作為雍王的封國。長史司馬欣，原來是秦朝櫟陽縣的獄吏，曾經幫助過項梁，都尉董翳，此前勸說章邯投降有功。項羽立司馬欣為塞王，以鹹陽以東到黃河邊的土地，作為塞王的封國；立董翳為翟王，以上郡作為翟王的封國。改封魏王豹為西魏王，將黃河以東作為西魏國的封國。瑕丘公申陽，是張耳的寵臣，首先攻下河南郡，在黃河邊迎接楚軍。項羽立申陽為河南王。趙將司馬卬平定河內郡，多次立功。項羽立司馬卬為殷王，河內郡是殷國的封國。項羽改封趙王歇為代王。趙國相張耳是公認的賢者，又隨同項羽入關，被立為常山王，以趙國作為封國。當陽君英布是一員楚將，勇冠楚軍。項羽立英布為九江王。番君吳芮率領百越軍隊幫助諸侯，一起入關。項羽立吳芮為衡山王。義帝的柱國共敖率領部隊攻打南郡，多次立功，項羽立共敖為臨江王。項羽改封燕王韓廣為遼東王。燕將臧荼跟隨楚軍救趙，而後又隨同義軍入關。項羽立臧荼為燕王。項羽改封齊王田市為膠東王。齊將田都跟隨義軍救趙，又隨同一起入關。項羽立田都為齊王。秦軍滅掉的原齊王田建的孫子田安，在項羽率領大軍渡過漳河救援趙國時，田安攻下濟北數城，率領軍隊歸附項羽。項羽立田安為濟北王。田榮，背叛項梁，不肯幫助楚軍抗擊秦軍，因此沒有受封。陳餘放棄責任，離開軍隊，也沒有隨同義軍入關，隻是大家認為陳餘是一位賢者，對平定趙國有功，聽說陳餘在南皮縣，項羽將南皮周圍三個縣封予陳餘為侯爵。番君的部將梅鋗立有戰功，項羽封梅鋗為十萬戶侯。項羽自封為西楚霸王。以梁地、楚地的九個郡作為霸王的封國，在彭城設都。
分封之後，諸侯王分別返回封國。田榮聽說項羽改封齊王田市到膠東，而且立田都為齊王，大怒，不肯放田市到膠東國去，在齊國造反，迎擊田都，田都逃往楚國。田市害怕項羽，悄悄地前往膠東就國，田榮大怒，一路追殺田市，在即墨縣斬殺田市，而後自封為齊王。田榮授予彭越將軍印，讓彭越在梁地造反，彭越於是殺了濟北王田安，田榮隨即合並三位齊王的領地。在此期間，漢王劉邦率領漢軍平定了三秦，項羽聽說漢王劉邦占據關中，還要東出函穀關，齊國、梁地也在先後造反，大怒，於是封原吳縣令鄭昌為韓王，率領楚軍阻擊漢軍，命令蕭公角率領楚軍進攻彭越。彭越打敗蕭公角。在當時，張良在韓國，給霸王項羽寫了一封書信，張良說：“漢王劉邦因為沒有得到原來屬於他的封地，所以起兵進攻關中，現在得到了關中，漢王應該會停止用兵，不會再出函穀關，向東進軍。”張良又把齊國、梁地造反的文告送予項羽，項羽看了文告之後，打消了向西用兵的念頭，轉而向北進攻齊國，同時調動九江王英布的軍隊。英布佯稱有病，不能帶兵，隻派了手下將領，率領數千人來與項羽會師。漢紀元二年（公元前205年），項羽命令九江王英布，秘密殺害義帝，陳餘派出使者張同、夏說前去遊說齊王田榮，說：“項王為天下分封，分的不公平，把原來的王封在不好的地方，把自己的近臣封在好的地方，還要趕走原來的王，趙王現在隻能去代國稱王，我認為這樣做不妥。聽說大王起兵，不理會項王的決定，請求大王借予我一些兵馬，我要率領軍隊前去進攻常山國，恢複趙王的領地，我願意以我的封國南皮作為大王的屏障。”齊王田榮答應了陳餘的請求，借予陳餘一些軍隊。陳餘率領自己統轄的三縣軍隊，還有齊國借來的軍隊，突然襲擊常山國，大敗常山國軍隊。張耳敗走，投奔漢王劉邦。陳餘迎接原趙王歇返回趙國，趙王歇立陳餘為代王。項羽率領楚軍抵達城陽縣，田榮率領齊軍迎擊楚軍。田榮兵敗，逃往平原縣，平原縣的百姓殺了田榮。項羽率領楚軍向北，一路燒殺搶掠，將齊國的城郭房屋毀壞殆盡，投降的齊國降卒，一律遭到坑殺，而後項羽將齊國的婦女老幼，強行擄走，率領楚軍一直打到北海，所過之處，一片淒涼。齊國百姓此時隻好重新聚集起來，反叛楚國。田榮的弟弟田橫，又重新聚攏數萬人，在城陽縣造反。項羽不得不留下來平叛，連續進攻，也沒有打下城陽縣。