项羽得知后，留众部将继续击齐，自率精兵3万疾驰南下。时刘邦等众诸侯已入彭城，收其货宝美人，置酒高会。项羽乘刘邦陶醉于胜利，戒备松懈之际，率军绕至彭城西，于清晨时发动突然袭击，战至中午，大破汉军，汉军往泗水方向溃逃，楚军紧追不舍，杀汉军十余万人，一直追击至灵壁（今安徽灵璧县）东濉水，汉军相互拥挤、践踏，加上楚军追杀，汉军十余万人皆入濉水，濉水为之不流。此役，汉军被歼数十万，刘邦也险些被虏，仅率数十骑突出重围，逃回荥阳（今河南荥阳东北古荥镇），经此一战，汉军元气大伤。项羽虽取得彭城之战胜利，但齐地战事却不利。在其率军击诸侯联军时，田横尽收齐地。但田横复国后并未攻楚，而是中立于楚汉之间，直至郦食其说齐。
刘邦大败于彭城，逃到下邑。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。诸侯见刘邦败，转投项羽，塞王司马欣和翟王董翳入楚为将。赵国发现汉并没有杀张耳，赵兵退去反与汉为敌，汉王刘邦所纠集之联盟顿时瓦解。时吕后兄周吕侯将兵居下邑，刘邦到来后收集散兵。张良亦至下邑，与刘邦于下邑规划下一步对策。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。刘邦过夏邑，谋士随何自荐往说九江王英王。刘邦还至荥阳
前205年六月，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。同时，英布与龙且战争，不得胜利，与随何往见刘邦，楚军尽取九江。刘邦收取士卒，会合关中萧何派来的援军，加上韩信赶来会合，项羽率楚军亦追击而至，汉军于“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。此为京索之战。京索之战，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、成一带拉钜，战争进入相持阶段。
京索之战，汉军击败楚军，项羽退回荥阳以东，而汉军亦不能过荥而往东。楚汉相持于荥阳。及汉二年八月，汉分兵，北路以韩信为统帅，东击魏、赵、齐三国，以完成对楚战略包围。而刘邦则亲统大军坚守荥阳、成皋一线吸引住项羽，拖住楚军主力使之无暇他顾。进入相持阶段后，战争分四条战线展开，即刘邦的荥成战线、韩信的北方战线、英布的南方战线和彭越、刘贾的敌后战线。九月，采纳韩信建议，给韩信增兵3万，让其开辟北方战场。前205年9月，项羽派龙且攻九江，英布战败，与随何一同逃至成皋。汉军在荥阳站稳后，开始修筑甬道，由敖仓运输粮食来荥阳。前204年，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。刘邦采纳陈平建议。命纪信扮作刘邦出城，而刘邦则趁机与数十骑从西门逃走，走前令御史大夫周苛、魏豹、枞公守城。项羽发现上当后，烧杀纪信。并攻城。周苛、枞公以“反国之王。难与守城”为由。杀掉魏豹。刘邦出荥阳，由成皋入关，调集军队。准备再至荥阳。袁生这时向刘邦讲谏：“汉与楚相距荥阳数岁，汉常困。愿君王出武关，项羽必引兵南走，王深壁，令荥阳成皋间且得休。使韩信等辑河北赵地，连燕齐，君王乃复走荥阳，未晚也。如此，则楚所备者多，力分，汉得休，复与之战，破楚必矣。”刘邦采袁生建议，出兵宛叶间。项羽闻刘邦在宛叶，果然率军南下，但刘邦坚守不与之交战。204年2月，彭越率军渡睢水，进击项声、薛公下邳，破楚军，杀薛公。项羽让终公留守成皋，自己率军还师向东击彭越军。而刘邦闻项羽东归，率军北上击杀终公，复成皋、荥阳。3月，项羽闻刘邦复夺成皋，率军而西，拔荥阳，俘虏周苛、枞公、韩王信。项羽劝周苛投降不成，烹杀周苛，并杀枞公。韩王信伪降楚，后嗣机逃归汉。刘邦逃出成皋，独与夏侯婴北渡河至小修武，至韩信、张耳军，夺其军南下驻小修武，准备与楚军战。6月，项羽回师还击彭越等，留大司马海春侯曹咎守成皋，并嘱令他坚守不要出战，等他平定梁地后回来。项羽走后，刘邦率军南下，多次挑战。最终曹咎忍不住出战，汉军大破楚军，大司马咎、长史欣皆自刭汜水上。汉王引兵渡河，复取成皋，军广武，就敖仓食，进围钟离昧荥阳东。
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）形成长期对峙，相持不下。当此时，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。”
汉二年（前205年）八月，魏王豹踞河东（郡治安邑，今山西夏县西北禹王城）反汉归楚，威胁汉军侧翼。刘邦先派郦食其游说未成，即命韩信率军进攻。九月，韩信突袭安邑，生擒魏豹，灭魏国。安邑之战，汉魏两军使用的兵力不大，是个规模比较小的战役，但是对当时战局则起了极大影响。汉军凭着占领魏属的河东、太原等郡，可以经略赵代，进攻燕齐，形成从北面包围楚国的优越战略态势。汉军统帅韩信于安邑之战中，采用了与对三秦作战“明修栈道，暗渡陈仓”同样的诡诈手段，又一次成功地获得了全战役的彻底胜利。韩信用一部兵力阳渡临晋，主力暗渡夏阳的手法，引诱轻举妄动的魏豹，把主力调集到蒲坂以西地区，造成了魏王豹的错觉，巧妙地掩护了自己渡河的真实意图，使数万大军顺利渡河成功。汉军渡河急进，奇袭安邑要地，一战全歼敌人，突出地展示了韩信军事指挥的卓越才能。汉二年九月（前205年），魏王豹率军迎击，但遭到大败，魏王被俘虏，刘邦令其为将助守荥阳。
安邑之战后，刘邦继而采纳韩信“北举燕、赵，东击齐，南绝楚少粮道，西与大王会于荥阳”的建议，给韩信增兵3万，开辟北方战场，以消灭楚的羽翼，实现对楚的战略包围。
同年闰九月，韩信首先破代国，生擒相国夏说。代亡。汉三年（前205年，汉初承秦制，十月为岁首）十月，韩信、张耳率领汉军越过太行山，与楚的羽翼赵国战于井陉口（今河北井陉东南），韩信一反常规，背水设阵，大败20万赵军，斩杀赵军主帅成安君陈余，生擒赵王歇。一举灭亡赵国。随之采纳赵国降将李左车建议。乘势不战而迫降燕王臧荼，平定燕国。井陉之战的结局，对楚汉战争的整个进程具有重大的意义。汉军的胜利，使得其在战略全局上渐获优势。即消灭了北方战场上强劲的敌手。为下一步“不战而屈人之兵”、兵不血刃平定燕地创造了声势和前提。并为东进击齐铺平了道路，从而造就了孤立项羽的有利态势。这虽然是一次战役规模的战争，但却有着战略性质的地位。与此同时。刘邦亦亲攻赵。汉将靳歙兵出河内，击赵将贲郝于朝歌，破之。又随刘邦进击安阳以东，下七县；别将攻赵军，虏两司马，得赵军二千四百余人。接着刘邦对赵之邯郸发起进攻，破赵军，攻下邯郸。汉将靳歙破赵军于平阳，攻下邺。这样赵国悉平。楚数使奇兵渡河击赵，张耳、韩信往来救赵，因行定赵城邑，发兵诣汉。汉王立张耳为赵王，拜韩信为相国。三年六月，刘邦再败荥阳，入赵，收韩信军，令韩信收赵兵未发者准备击齐。韩信灭赵后，陈兵燕境，燕王臧荼迫于汉军兵威，加入汉方对楚作战。
汉二年（前205年）四月，汉军于彭城战败后，刘邦为摆脱被动局面，争取张良“联络英布，重用韩信、彭越”的方针，派随何游说九江王英布，以达到分散并牵制了楚军的目的，减轻刘邦正面战场的压力。汉三年（前205年）十一月，刘邦在正面对楚作战的同时，遣谋士随何游说九江王英布叛楚归汉。英布据有九江（郡治寿春，今安徽寿县）、庐江（郡治舒县，今安徽庐江西南）二郡，具有相当实力。英布归汉，项羽侧翼危急，忙遣龙且进攻九江军。英布战不力，九江国悉为楚有，且家属亦尽为项声所杀。英布从隐蔽小道逃归汉国。英布逃汉后，见刘邦，刘邦接见时非常无礼，以致英布十分后悔为汉，几欲自杀。但至刘邦为其安排的住处后，见与汉王宫室规格一样，十分高兴。之后汉王益兵英布，令其行收九江。
汉二年（前205年）四月，汉军于彭城战败后向西溃退，彭越把他攻占的城池又都丢掉，独自带领他的军队向北驻守在黄河沿岸。汉三年（前204年），彭越经常往来出没替汉王游动出兵，攻击楚军，在梁地断绝他们的后援粮草。汉三年九月，刘邦采用郎中郑忠之策，派将军刘贾、卢绾将卒二万人、骑数百，由渡白马津，进入楚地佐助彭越。汉军与彭越联军烧掉楚军积聚的粮草，楚军乏食。楚军回击刘贾，刘贾坚守不出不与楚军交战，与彭越互相呼应。汉四年（前203年）冬，楚军和汉军在荥阳相持，彭越攻下睢阳、外黄等十七座城邑。项羽知悉后，就派曹咎驻守成皋，亲自向东收复了彭越攻克的城邑，又都归复楚国所有。彭越于是率军北上谷城。汉五年（前202年）秋，楚军向南撤退到夏阳，彭越又攻克昌邑等二十多个城邑，缴获谷物十多万斛，用作汉王的军粮。
韩信自立为齐王，并拒绝项羽的拉拢，自己坐镇齐地，命灌婴直接击楚。灌婴率汉军首先进攻楚的鲁地，大破楚将薛公杲于鲁北。南下再破薛郡长，攻博阳，进军至下相，夺取取虑、僮、徐等县。接着渡过淮河，进至广陵（今江苏扬州），尽降楚之城邑。项羽很快派项声、薛公、郯公夺回淮北。灌婴回师复渡淮，在下邳大破项声、郯公军，斩薛公，夺取下邳。接着追击楚军，破楚军于平阳（南平阳，今山东邹城市），回师还攻并占领彭城，虏楚柱国项佗降留、薛、沛、酂、萧、相。攻苦、谯，再次俘获亚将周兰。灌婴平淮北后，与刘邦军会师于颐乡（位于今河南鹿邑县）。
汉四年（前203年）八月，楚军粮尽，项羽被迫议和，刘邦亦未能调来韩信、彭越援军，于是双方订立和约“中分天下”，划鸿沟（古运河，位于今河南荥阳以东）为界，东归楚、西属汉。楚汉两军在荥阳、成皋一线相持两年零五个月后，休兵罢战。和约定立后，刘邦派使者至楚营请求放还刘邦家属。先是陆贾等人，但都一一遭到拒绝。后来侯生往使，成功说服项羽放还刘邦家人。刘邦拜侯生为“平国君”，但侯生受封之后即隐退。
汉四年（前203年）九月，项羽遵约东撤，刘邦亦欲西返。张良、陈平认为“汉有天下太（大）半，而诸侯皆附之。楚兵罢（疲）食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。刘邦追楚军至陈下，大破利几、钟离昧的楚军。陈下之战后，汉五年（前202年）十月，刘邦追击楚军至固陵（今河南太康南），因齐王韩信、建成侯彭越按兵不动，未如期会师，遭楚军早击，大败，被迫坚壁自守。但是楚虽有固陵之胜，但已是强弩之末。十一月，楚镇守东南的大司马周殷背楚为汉，以舒屠六。随刘贾至寿春，进围项羽于垓下。刘邦退守固陵后，采纳张良建议，分别给齐王韩信、魏相彭越承诺“并力击楚，楚破，自陈以东傅海与齐王；睢阳以北至谷城与彭相国。”，许以割地封王。汉五年（前203年）十二月，果然调集齐王韩信、魏相国彭越、淮南王英布、刘贾等各路大军40万人，以韩信为最高统帅，以并本部20万人共计60万大军，将10万楚军包围于垓下（今安徽灵璧，一说今河南淮阳、鹿邑间）。楚军兵少食尽，屡战不胜，夜闻四面楚歌，军心瓦解。项羽大惊曰：“汉皆已得楚乎？是何楚人之多也！”，于是夜起慷慨悲歌，曰：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”“歌数阕，美人（虞姬）和之（参见霸王别姬）。项王泣数行下，左右皆泣，莫能仰视”。
是夜项羽率800余骑兵趁夜突围南逃，天明后刘邦方才发觉，遂派灌婴率数千骑兵追击。楚军渡过淮河后只剩下百余骑，逃至阴陵（今安徽定远县西北）时因迷路，问路一田父，田父诓骗而左行，结果陷于沼泽，致使汉军追上。至东城（今安徽定远县境内）时，仅剩下28骑，项羽自度难以脱身，却依然说：“天亡我，非战之罪也。”逃至乌江（今长江，位于今安徽和县东北乌江镇）时，乌江亭长力劝项羽过江，以图东山再起，项羽却说：“天之亡我，我何渡为！且籍与江东子弟八千人渡江而西，今无一人还，纵江东父兄怜而王我，我何面目见之？纵彼不言，籍独不愧于心乎？”自觉无颜见江东父老，不肯渡江。接着在力杀汉军数百人后，自刎而死。
垓下一战，刘邦全歼楚军，获得最后胜利。项羽败亡后，楚地陆续平定，最后唯原项羽封地鲁不下，汉军乃以项羽头示鲁，鲁遂降，楚国至此全部平定。楚汉战争末期，属楚国阵营的衡山王吴芮、九江王英布先后归附汉王刘邦，唯临江王仍不听命。汉五年（前203年）十二月，汉军又攻破临�