诸侯罢兵戏下，各就封国。项羽回到彭城，去做西楚霸王。刘邦受封汉王，入汉中。由于利益分配不均，许多人心怀异志，蓄谋反叛。
　　汉王刘邦和前齐相田荣在东、西两面同时起事，拉开了楚汉战争的序幕。刘邦兵出陈仓，首先与雍王章邯交锋。八月，击溃章邯，将其围困在废丘城中。同时派兵四出略地，在同月收降塞王司马欣、翟王董翳，据有三秦之地。
　　田荣起事后首先赶走齐王田都，在六月杀掉胶东王田市，自立为齐王。田荣授彭越将军印，令其在梁国旧地反楚。彭越在六月发兵杀掉济北王田安。这样田荣也统有整个三齐之地。田荣又联络刘邦、陈余等人，图谋联手反楚。
　　面对关中和齐、梁两地的反叛力量，项羽一方面封授郑昌为韩王，在韩国旧地阻挡汉王东进；一方面派遣萧公角率兵进击彭越。这时刘邦令张良以韩王司徒身份略取韩地。张良本不善于将兵作战，所以并没有取得什么进展。不过他善于谋略，写了一封蒙骗项羽的信，说刘邦只是想按照过去的成约得到关中，没有东进的意图。这样便使得项羽放松了对西部的戒备，亲自率兵北上，出击田荣。
　　刘邦以接取太公和吕后为名，派遣将军薛欧、王吸出武关，取道南阳，利用王陵聚集在南阳的数千兵力，试探着向楚进攻。薛欧等兵至阳夏，被项羽发兵阻拦，停滞不进。
　　刘邦出兵函谷关，进至陕县，河南王申阳、韩王郑昌相继投降，汉王刘邦所控制的区域，已经接近彭越活动的巨野泽地区。这样不仅东部黄河南北两岸的几支反楚力量连成了一片，而且与西部的刘邦也很快就要合成为一体。西楚政权失去大半河山，命运岌岌可危。面对这一有利局面，刘邦没有急于进兵，而是于同年十一月首先回师关中，巩固后方。他一方面在栎阳建都，设立汉朝社稷；同时派兵清扫陇西、北地等边地残存的三秦诸王旧部。十一月拔陇西。正月拔北地，直到汉二年（公元前205年）二月，刘邦一直积极整修边塞，防止匈奴人乘虚而人，并“施恩德，赐民爵”，进行全面战争的动员和准备。
　　刘邦率兵自临晋东渡黄河，收降魏王魏豹；接着又攻占河内，掳获殷王司马印。这时淮河以北除了彭城附近和燕王臧荼所控制的燕及辽东地区之外，已经尽被反楚力量占据。在这种形势下，刘邦认为剿灭项羽的时机已经到来，于是经修武，由平阴津南渡黄河，抵达洛阳，昭告天下诸侯，誓师伐楚。四月，趁项羽主力仍被田横拖在齐地，楚都彭城空虚之机，刘邦率军直取彭城。彭城之战由此展开。
　　刘邦到下邑，父亲刘太公、母亲刘媪和妻子吕雉被楚军俘获，被拿住做人质，刘邦派人去沛县寻找家室。张良向刘邦规划下一步对策。张良说：“九江王黥布，楚枭将，与项王有隙；彭越与齐王田荣反梁地：此两人可急使。而汉王之将独信可属大事，当一面。即欲捐之，捐之此三人，则楚可破也。”刘邦采纳张良建议。谋士随何自荐往说九江王英布，刘邦来到荥阳，与曹参、灌婴、靳歙平定雍丘王武的叛乱，程处在燕县反叛，楚柱天侯在衍氏反叛，羽婴在昆阳反叛，都被曹参平定，樊哙重新取得鲁地与梁地。
　　刘邦回到关中，汉军水攻废丘，雍王章邯在抵抗了十个月兵败自杀，至此三秦悉为汉有。刘邦收关中士卒回到荥阳。
　　随何劝降九江王英布，英布叛楚，项羽派龙且、项声攻打英布。项羽亲自进攻下邑，继续向西进攻，至荥阳，刘邦拜灌婴为中大夫，统率骑兵，在荥阳以东大败项羽，又在于“京县”（今河南郑州荥阳豫龙镇京襄城村附近）、“索亭”（今河南荥阳索河街道）之间击败楚军，将项羽楚军击退到荥阳以东。
　　京索之战后，汉军稳住阵脚，楚军也无力突破汉军防线进攻关中。双方从来开始在荥、成一带拉锯，战争进入相持阶段。
　　韩信与张耳留下在赵国继续作战，刘邦返回荥阳。此前英布被随何策反，项羽派龙且攻打英布，英布战败，与随何回到了荥阳。刘邦召见英布，派英布重返九江，收聚数千人归汉，刘邦也离开荥阳，从成皋南下，到宛县（今河南南阳）、叶县一带迎接英布，给英布增兵，一起回到成皋。
　　刘邦据守荥阳，开始修筑甬道，由敖仓运输粮食来荥阳。与项羽对峙，双方进入相持状态。
　　项羽率军数次攻夺甬道，汉军粮食短缺，于是刘邦向项羽要求和议，荥阳以西归汉。项羽打算接受，范增认为优势在握，如果放虎归山，必成后患。所以项羽率军加紧围攻荥阳城。刘邦认为范增是个大碍，所以给予陈平四万斤黄金，要他去离间项羽和范增的君臣关系。项羽中计，削其兵权，范增大怒而告老回乡，于途中病故。
　　为了打破荥阳对峙的僵局，刘邦派靳歙与灌婴攻打楚军的粮道。靳歙切断了楚军从荥阳至襄邑的粮道，灌婴切断了楚军阳武至襄邑的粮道，命令靳歙与灌婴离开荥阳，越过梁地，与彭越联合，攻打楚国后方的鲁县（今山东曲阜），鲁县与齐国交界，又与彭越毗邻，是楚国的北部门户，战略意义重大。
　　由于调走了灌婴与靳歙两支汉军精锐，刘邦在荥阳与项羽艰难对峙。汉三年（公元前204年）六月，韩信与张耳已平定赵国的反抗余波，南下至河内修武，接应刘邦。七月，刘邦令御史大夫周苛、枞公、魏豹等人守荥阳，离开荥阳北渡黄河，来到修武，命令张耳镇守赵国，拜韩信为相国，韩信请封张耳为赵王，刘邦同意。
　　刘邦调集原属韩信与张耳的军队，打算回到荥阳支援前线作战。此时项羽以荥阳发起猛烈进攻，周苛等人死守荥阳，八月，周苛以魏豹是反复无常之人，难与一起守城，于是杀了魏豹，周苛不能抵挡项羽的进攻，当月荥阳被攻陷，周苛宁死不降楚，被项羽所杀，韩王信被项羽俘虏。刘邦欲回到荥阳与项羽交战，郑忠劝谏刘邦，避开项羽的锋芒，驻扎在河内小修武，不与项羽交战，刘邦采纳。
　　此时，灌婴与靳歙在鲁县打败了项冠，得知荥阳已失，靳歙南下攻打楚国腹地以牵制项羽，灌婴率骑兵返回前线增援，在燕县（今河南延津东北）打败楚将王武，又在白马津打败楚将桓婴，过白马津渡黄河，到达河内与刘邦会合，护送汉王刘邦南渡黄河回到洛阳，此时项羽又攻破了成皋，到达洛阳附近的巩县，双方在巩县交战，楚军大败，不能继续西进。
　　刘邦在巩县遏制了楚军的攻势后，乘胜追击，意图夺回成皋，楚军坚持皋险要，汉军攻之不下，刘邦打算放弃进攻成皋，退守巩县与洛阳。谋士郦食其劝阻刘邦，不要退却，并向刘邦说明敖仓的重要性，放弃成皋与荥阳就意味着放弃敖仓。此时楚军后方受到靳歙的牵制，不能全力攻打敖仓，劝刘邦务必加紧进攻成皋，收复荥阳，坚守敖仓。并自请出使齐，劝说齐王田广降汉。
　　刘邦非常赞同郦食其的建议，让他出使齐国，同时派遣灌婴往邯郸调回一部分韩信镇守赵地之军回到前线，坚守敖仓，并以灌婴接任周苛的御史大夫之职。
　　郦食其不辱使命，以三寸之舌成功劝说齐王归降。齐王同意归降于汉，撤去历城的守军，示无反意，并与郦食其纵酒庆祝。
　　靳歙在鲁县打败项冠后，攻打楚国的腹地，此时攻克了缯县（今属山东苍山县）、郯县、下邳、蕲县、竹邑，几乎包围彭城。如果不出意外，平定了楚国后方的靳歙再从东面进攻，加上彭越的配合，攻打项羽的背后，据守荥阳与成皋的项羽必将被汉军包抄，夺回荥阳与成皋指日可待。但此时发生了一件令刘邦意想不到的事：韩信从灌婴口中得知刘邦已失荥阳与成皋，洛阳危急，并且齐国已被郦食其说降，韩信为了自己当齐王，在蒯通的蛊惑下，擅自攻打齐国撤去防守的历城，齐王大怒，以为是郦食其出卖了他，将郦食其烹杀，急忙派齐军再次防守历城，韩信不能攻下。
　　刘邦得知韩信攻打齐国，齐国叛汉，被迫抽调汉军主力以武力平定齐国，派灌婴、曹参、傅宽、蔡寅、陈涓、冷耳、柴武、王周等汉将赴齐助韩信攻打齐国。这样一来，失去荥阳与成皋的不利局面雪上加霜，攻打楚国后方的靳歙也不得不放弃进攻，回到巩县抵挡项羽。齐王不得已向宿敌楚国求援，项羽为了壮大自己考虑，也派龙且率20万楚军支援齐国。
　　项羽占据成皋天险，与汉军在巩县对峙，如果汉军再失巩县，洛阳也将不保。所幸敖仓还在汉军的掌控下，刘邦派人坚守巩县的同时，命令周勃、程黑、郭蒙等坚守敖仓，刘邦自己则驻军河内小修武（今属河南焦作），指挥全局，依黄河北岸驻守，封锁黄河渡口，以阻止楚军攻入河内平原，为了重新取得战略上的优势，汉军必须夺回成皋。但汉军的主力都用于攻打齐国了，兵力不够，为了补充兵源，调集一切可以团结的力量，刘邦派使者发往燕国，请求援助，燕王臧荼派温疥与昭涉掉尾率燕军助汉。彭越在梁地，可以对项羽的后方发起进攻，牵制项羽，使项羽不能首尾相顾。刘邦又命令刘贾与卢绾率领二万人渡过白马津，与活跃于楚军后方的彭越军配合，烧掉楚军的粮草。在燕县以西打败楚军，攻占睢阳(今河南商丘西南)等17座城池，项羽亲自攻打彭越与刘贾，留大司马曹咎守成皋，临行前嘱部将曹咎谨守成皋，遇汉军挑战，切勿应战，只须阻止其东进即可。汉四年冬十月，刘邦乘项羽东去兵力薄弱之机，反攻成皋。初时，成皋楚军坚守不战。刘邦数次遣人到阵前辱骂，终于激怒曹咎，率部出击。汉军乘楚军半渡汜水之时，全力反击，斩杀了曹咎，再次夺回成皋，并俘虏了前塞王司马欣与翟王董翳。乘胜进至广武(今河南荥阳东北)，并包围楚将钟离昧于荥阳以东。项羽急忙从睢阳回救，汉军鉴于兵力不足，暂时无力彻底消灭楚军，于是见好就收，据险坚守。（注：汜水在成皋以东，汉军从西边进攻成皋，必是先破成皋，后渡汜水
　　汉军再次收复成皋后，据险坚守，双方在广武山（今河南荥阳东北）再次形成对峙。
　　此时灌婴、曹参等赶赴齐国助韩信攻破了历城、临淄，齐王田广逃到高密。项羽所派增援齐国的二十万楚军也被汉军消灭，楚将龙且被汉军阵斩，齐国全境也被汉军平定。汉四年（公元前203年）二月，韩信自立为齐王。
　　此时，彭越数反梁地，绝楚粮食，项羽患之。于是置刘邦的父亲太公于鼎镬上，告诉刘邦说：“今不急下，吾烹太公。”（今天不赶快投降，我就烹煮了你父亲），刘邦却回答道：“吾与汝俱北面受命怀王，曰‘约为兄弟’，吾翁即若翁，必欲烹而翁，则幸分我一桮羹。”项羽见无济于事，只好作罢。
　　又有一次，项羽对刘邦说：“天下匈匈数岁者，徒以吾两人耳，愿与汉王挑战决雌雄，毋徒苦天下之民父子为也。”刘邦却笑着拒绝说：“吾宁斗智，不能斗力。”并向项羽宣布他的十条罪状。项羽恼怒之下，用暗箭偷偷射向刘邦，正中刘邦胸部，刘邦受伤，回到成皋养病。
　　项羽终究无力挽回楚国的颓势，战争的优势已完全向汉方倾斜。刘邦病好后，他终于可以放松一下了，命令樊哙守广武，周勃守敖仓，带上在汜水之战俘虏的前塞王司马欣，回到关中，将司马欣在他的原都城栎阳枭首，置酒慰问关中父老，四日后，带领关中兵又回到广武。