楚怀王接到赵王歇、张耳等人的求援文书后，即召集手下将领进行商议。大家认为，尽管楚军自定陶战败后元气大伤，但若不及时救赵，章邯灭赵得手后就会移师南下攻楚，从而使得反秦武装有被各个击破的危险。同时，秦军主力胶着于河北地区，这造成了关中空虚，给反秦武装提供了乘隙进关灭秦的机遇。鉴于这一分析，楚军统帅部遂果断作出战略决策：任命宋义为上将，项羽为次将，范增为末将，统率楚军主力5万人北上救赵，以伺机歼灭秦军主力。同时，派遣刘邦率军乘虚经函谷关进入关中，伺机攻打咸阳。这一战略部署的着眼点在于两支军队互相配合、双管齐下，使秦军陷于两线作战、顾此失彼的被动局面，以收一举灭秦之效。

秦二世三年（公元前207年）十月，宋义率军北上救赵。

他对和秦军进行决战存有胆怯畏惧心理，抵达安阳（今山东曹县东）后，即停止前进，一连驻扎了46天。项羽规劝他迅速进兵，同赵军里应外合，一举击败秦军。然而宋义则想保存实力，乘秦、赵相斗，坐收渔利，故拒绝了项羽的正确建议。他挖苦项羽说：“披坚执锐，义不如公；坐而运策，公不如义”，并威胁项羽不要抗命不听从指挥。与此同时，宋义还日日置酒高会，寻欢作乐，并亲自赴无盐（今山东省东平县东南）大摆宴席，送其子出使齐国为相，以扩展个人势力。当时适逢天气寒冷多雨，士卒冻馁，苦不堪言，宋义的做法引起了将士们的不满。性格刚烈的项羽更是觉得忍无可忍，在再次据理力争未被采纳后，他遂激于义愤，趁早晨入帐进见之机，当场诛杀了宋义。诸将拥护项羽所为，拥戴他为假（代理）上将军。楚怀王见事态已经如此，便正式任命项羽为上将军，由他率军北上救赵。

这时，秦军仗恃兵多粮足，围攻钜鹿甚急。城中的赵军，矢尽粮绝，危在旦夕。尽管燕、齐、魏等援军已抵达钜鹿附近，并与陈余军会师，但因畏惧秦军，互相观望，谁也不敢同秦军交锋。

唯独有已取得指挥权的项羽敢下决心挥师渡河与秦军决战。他率军于十二月进抵漳水南岸后，即委派英布、蒲将军率2万人为前锋，渡过漳水（一说黄河），切断秦军运粮的甬道，分割王离与章邯军之间的联系，使王离军陷入缺粮的困境。接着，项羽本人亲自率领楚军主力渡河跟进，并下令全军破釜沉舟，规定每位将士只带3日干粮，以显示全军上下一往无前、义无反顾、与秦军决一死战的决心。

破釜沉舟完毕，项羽立即率领楚军进至钜鹿城下，将王离军团团包围，以雷霆万钧的气势，迅雷不及掩耳的行动，向敌人猛扑过去。楚军将士们奋勇死战，“无不一以当十”，“呼声动天”，将王离麾下的秦军杀得溃不成军。章邯率部援救，也敲楚军英勇击退。项羽指挥楚军连续作战，不给秦军以任何喘息的机会，九战九捷，终于大败秦军。那些交战伊始时，恐惧秦军如虎而作壁上观的诸侯援军，这时见楚军胜局已定，也乘势冲出壁垒，参与对王离军的围攻。这场惊天动地大鏖战的结果是，秦将王离被俘虏，秦军副将苏角身首异处，另一名副将涉间走投无路，被迫自焚而死。楚军取得辉煌的胜利，钜鹿之围遂解。

项羽在钜鹿之战中所表现的杰出指挥才能和一往无前的英勇气慨，使各路诸侯无不为之震慑和敬重。这时他们便一致拥戴项羽为诸侯上将军，统一指挥所有集结在赵地的军队。