刘邦从关中征集到一批兵员，打算再夺成皋。谋士辕生认为这不是善策，建议刘邦派兵出武关（今陕西商南东南），调动楚军南下，减轻汉荥阳守军的压力；同时，让韩信加紧经营北方战场，迫使楚军分散兵力。刘邦欣然采纳这一计策，率军经武关出宛（今河南南阳）、叶（今河南叶县）之间，与英布配合展开攻势；与此同时，韩信也率部由赵地南下，直抵黄河北岸，与刘邦及荥阳汉军互相策应。汉军的行动果然调动了项羽的南下。这时刘邦却又转攻为守，避免同楚军进行决战，而让彭越加强对楚后方的袭击，彭越不失所望，进展迅速，攻占了要地下邳（今江苏睢宁西北），直接给楚都彭城造成威胁。项羽首尾不能兼顾，被迫回师东击彭越，刘邦乘机收复了成皋。

　　 六月，项羽击退彭越后，立即回师西进，对刘邦发动第二次攻势，攻占荥阳，再夺成皋。并继续西进，抵达今河南巩县一带。刘邦仓猝北渡黄河，逃到小修武（今河南获嘉东），在那里刘邦征调到韩信的大部分部队，以支撑危局，增强正面的防御。刘邦深知项羽的厉害，这时便命汉军一部拒守于巩（今河南巩县西南），一部屯驻小修武，深沟高垒，不与楚军交锋。同时派韩信组建新军东向击齐，继续开辟北方战场。又命刘贾率领2万人马从白马津（今河南滑县北，旧黄河渡口）渡河，深入楚地，协助彭越，扰乱楚军后方，截断楚军粮道。彭越得到刘贾这支生力军的支援，很快攻占了睢阳（今河南商丘南）、外黄（今河南杞县东北）等17座城池。彭越、韩信的军事行动，给项羽侧背造成严重的威胁，迫使项羽在九月间停止正面战场的攻势，再次回师攻打彭越。项羽临行前，告诫成皋守将曹咎说：小心坚守成皋，即使汉军挑战，也千万不要出击，只要能阻止汉军东进，我15天内一定击败彭越，然后再与将军会师。项羽很快收复了17座城池，但没有能够消灭彭越的游军，它继续在威胁楚的后方。

　　 汉高帝四年（公元前203年）十月，刘邦听取谋士郦食其的建议，乘项羽东去之机，反攻成皋。守将曹咎开始还遵照项羽的告诫，坚守不出，但是经不起汉军连日的辱骂和挑战，一怒之下，率军出击。刘邦见激将法奏效，便运用半渡击之的战法，大破曹咎所部楚军于汜水之上，曹咎兵败自杀，汉军乘机再夺成皋，并乘胜推进到广武（今荥阳东北）一线，收敖仓积粟以充军用，并在荥阳以东包围了楚将钟离昧部。

　　 项羽听到成皋失守，大惊失色，急忙由睢阳带领主力返回，同汉军争夺成皋，与汉军对峙于广武，欲与刘邦决一雌雄。可是汉军依据险要地形，坚守不战。双方对峙数月，项羽无计可施。这时适逢韩信攻占临淄，齐地战事吃紧，项羽不得已只好派龙且带兵20万前往救齐，这就更加减弱了正面战场的进攻力量。到了十一月，韩信在潍水全歼了龙且的部队，平定齐国，使项羽的处境更趋困难。几个月后，楚军粮食缺乏，既不能进，又不能退，白白地消耗了力量，完全陷入了被动。

　　 这时，汉军韩信部已经破魏，破赵，降燕，平定三齐，占领了楚的东方和北方的大部地区，完成了对楚的战略包围。彭越的游军则不断扰乱楚军后方，攻占了昌邑（今山东金乡西）等20多座城池，并多次截断楚军的补给线。英布所部在淮南也有所发展。项羽腹背受敌，丧失了主动，陷于一筹莫展的境地。双方强弱形势已发生根本的变化。项羽见大势尽去，遂被迫与刘邦议和，以鸿沟为界，中分天下，尔后引兵东归。成皋之战以汉胜楚败而告终。