巨鹿之战后，项羽乘胜追击。章邯见大势已去，率二十万秦军投降了项羽。项羽却在西进途中，在新安城（今河南绳池东）下令将这二十万降卒全部坑杀。

与此同时，刘邦率另一路起义军乘秦军主力被项羽牵制在巨鹿，关中空虚，占领了咸阳。项羽大为不满，率军破关而入，进驻鸿门（今陜西临潼东北）。当时项羽军四十万，汉军不足十万，双方力量悬殊。刘邦自知力量不敌项羽，便采纳张良计策，拉拢项羽叔父项伯，亲自到鸿门请罪。鸿门宴上，觥筹交错中闪烁着刀光剑影。项羽的谋士范增几次举起所带玉块，暗示项羽杀死刘帮，项羽却优柔寡斯，被刘帮借故逃脱。这就是历史上有名的“鸿门宴”的故事。项羽依靠强大兵力，暂时压制了刘邦，并引兵进入咸阳，杀秦降王子婴，火烧秦宫，大火燃烧三月不灭。项羽挟其军事上的余威，以诸侯上将军自居，发号施令。他自立为西楚霸王，取梁、楚之地九郡（占有今江苏、安徽、山东、河南部分地区），定都彭城（今江苏徐州）。同时又割地封王，分封了十八个诸侯。封刘邦为汉王，在汉中、巴蜀，企图限制刘邦势力的发展，使其不得东进。

由於项羽分封不公，引起诸侯和功臣不满。先是田荣据齐反楚，项羽急忙率军讨伐，汉王刘邦便乘隙东进。公元前二○八年八月，汉军从汉中潜出故道，打败项羽所分封的秦地三王，迅速东进，直抵阳夏（今河南太康）。接着，又乘项羽与齐军交战之际，一举攻入楚都彭城，项羽急忙率三万精兵还救彭城。

此时，刘邦仗恃兵多将广，麻痹轻敌。项羽军则收复失地心切，斗志旺盛。三万楚军在项羽率领下，出山东经胡陵（今山东鱼台东南）趋萧（今江苏箫县西北），直抵彭城汉军侧背。战斗从拂晓开始，楚军勇猛顽强，边打边冲。到了午时，已将汉军打得大败。楚军追到彭城东北的泗水，汉军纷纷落水，淹死十余万。汉军向南方山地溃逃，楚军追击至灵壁（在今安徽省）以东的睢水上，又歼灭数十万人。汉王刘邦只率数十骑逃出重围，连妻子吕雉和父亲太公都作了项羽的俘虏。彭城一战，项羽决策果断，迅速率精兵回救彭城，出敌不意，击溃汉军数十万之众，是战史上以少胜多的范例。

彭城之役后，项羽乘胜进军，在京邑、索亭间（荥阳西、南）同汉王刘邦打了一仗，结果被阻於荥阳以东。双方在成皋一带相持两年之久。这期间，汉王刘邦采取了正确的作战指导，扼守成皋，在持久战中消耗项羽实力，伺机反击；项羽找刘邦决战，又急攻不下。双方力量对此发生了根本变化，汉军由弱变强，项羽由强变弱。