鸿门宴后，项羽引兵西屠咸阳，杀秦降王子婴，烧秦宫室，大火三月不灭，收其货宝妇女而东去。此时，有人对项羽说：“关中阻山河四塞，地肥饶，可都以霸。”(《史记?项羽本记》)但项羽见秦宫室都被烧残，又急于东归，便说：“富贵不归故乡，如衣绣夜行，谁知之者！”(《史记?项羽本记》)那人说：“人言楚人沐猴而冠耳，果然。”(《史记?项羽本记》)项王听后大怒，将其烹死。此事充分说明了项羽在战略上目光短浅，为他后来的失败埋下了伏笔。
汉王元年(公元前206年)，项羽以霸王的身份，分封诸侯：刘邦为汉王，都南郑；章邯为雍王，都废丘；司马欣为塞王，都栎阳；董翳为翟王，都高奴；魏王豹为西魏王，都平阳；申阳为河南王，都洛阳；韩王成因故都，都阳翟；司马昂为殷王，都朝歌；赵王歇为代王；张耳为常山王，都襄国；黥布为九江王，都六；吴芮为衡山王，都邾；共敖为临江王，都江陵；燕王韩广为辽东王；臧荼为燕王，都蓟；齐王田市为胶东王；田都为齐王，都临淄；田安为济北王，都博阳；自立为西楚霸王，王九郡、都彭城。
汉王二年冬，项羽使人杀怀王，加上田荣、陈余等人以项羽分封不公，“尽王故王于丑地，而王其群臣将相善地”(《史记?项羽本记》)为由，分别在齐、赵两地反叛，项羽亲自率兵北上击伐田荣，到齐地后烧杀虏掠，激起齐民反抗(参见楚汉战争)。而刘邦却乘机从汉中出来，还定三秦(参见刘邦还定三秦之战)，牢牢地建立起了自己的根据地。
汉王刘邦乘项羽率楚军北上击齐之机，帅诸侯联军56万分路进攻彭城(今江苏徐州)。项羽听到消息后，令诸将继续攻齐，自己亲率精兵三万人南从鲁(今山东曲阜)出胡陵，占领萧县，切断联军退路，随后，由西向东反攻。四月，刘邦率军攻入彭城，入城后，刘邦收其货宝美人，每天都花天酒地，纵情享乐，放松了警惕。项羽乘机，于晨时开始进攻，中午即大破联军，将刘邦所部挤压于谷水、泅水(位于今江苏徐州市西)之地。联军自相践踏，被楚军斩杀10余万人。余部向西南山地溃退。楚军追至灵壁(今安徽濉溪西南)的睢水，汉兵10余万皆人睢水，睢水为之不流，楚军将汉兵重重包围。时风沙从西北骤起，迎面扑向楚军。刘邦乘机率数十骑突出重围，败退当中路过家乡沛县，想搬取家眷西逃，但楚军也派人追到沛县，捉拿刘邦家眷，但家眷都逃走了，没能与刘邦相见。刘邦逃奔下邑(今安徽砀山)。路上碰到孝惠帝和鲁元公主，就载他们上车一起逃走，楚骑兵追赶汉王，汉王慌急，数次将孝惠、鲁元推下车，又数次被夏侯婴抱回车。其父及妻吕雉走小路，却被楚军俘获。五月，刘邦沿途收集残部，败回荥阳(今河南荥阳东北占荥镇)(参见彭城之战)。
此战成为中国历史上以少胜多的著名战例，项羽能在不利的形势下，迅速回兵奔袭，最终以少胜多，反败为胜，使刘邦遭到严重挫折。其勇猛精神，为后世所称道。
刘邦败退到荥阳(今河南荥阳东北)后，诸侯皆复与楚而背汉。由于萧何发动关中老弱前来支援，声势才得以重振。刘邦采纳谋士张良建议，确定了以关中为根据地。争取英布，重用韩信、彭越，联合反楚的方略。五月，刘邦得到萧何征集的关中兵员补充，并与韩信军会合，在荥阳以东击退追击的楚军，于荥阳、成皋(今河南荥阳汜水镇)一线与楚军形成对峙(参见成皋之战)。
汉高帝三年(公元前204年)初，楚军数次切断汉军运粮通道，荥阳危急，刘邦请和。项羽欲同意。历阳侯范增说：“汉易与耳，今释弗取，后必悔之。”(《史记?项羽本记》)于是项羽与范增急攻荥阳。刘邦谋士陈平施反间计，让项羽疑心范增与刘邦有勾结，夺范增兵权。范增大怒，说：“天下大事大定矣，君王自为之。愿赐骸骨归卒伍。”(《史记?项羽本记》)项王同意。范增未到彭城，疽发背而死。项羽失去了唯一的谋臣。
四月，楚军攻势更紧。刘邦求和，被项羽拒绝。只得命韩王信、周苛等留守荥阳，以将军纪信假扮汉王出荥阳东门诈降，吸引楚军注意力，自己乘机率数十骑出荥阳西门，逃往关中，纪信则被项羽烧死。
刘邦从荥阳逃出后，退入成皋。汉高帝四年，项羽兵围成皋，刘邦逃走，项羽攻占成皋。刘邦接受谋士辕生建议，率军出武关(今陕西丹凤东南)至宛(今河南南阳市)、叶(今河南叶县西南)。项羽急于寻汉军主力作战，引兵南下。刘邦坚壁不与楚军交锋。是时，活动于梁地(今河南东北部)的彭越袭占楚后方重镇下邳(今江苏睢宁北古邳镇)，杀楚将军薛公。直接威胁楚都彭城，项羽回军击彭越，彭越败走。刘邦乘机北上，收复成皋。六月，项羽击败彭越后，立即对荥阳、成皋发动第二次攻势，杀汉将周苛、枞公，俘韩王信，再占荥阳、成皋。刘邦败至黄河北岸，以韩信军加强正面防御，深沟高垒阻击楚军于巩(今河南巩县西南)和小修武(今河南获嘉东)。为摆脱被动局面，刘邦以韩信开辟北方战场(参见韩信破代、赵、燕、齐之战)，并遣刘贾、卢