项羽在范增的建议下，与范增合围荥，打算把刘消灭。刘非常害怕，采取陈平的计策，离间项羽和范增，项羽于是剥夺了范增的权利。范增没有想到项羽竟然会怀疑自己和刘有勾结，十分气愤，于是告老还乡，但在途中病死。

此时，彭越渡河攻击东阿，楚将薛公兵败死，项羽于是亲自率军攻打彭越，彭越败走，但成皋却被刘趁机夺下。项羽回军与刘对峙于广武，相持了几个月。

彭城之战

汉四年（公元前203年），项羽攻下荥，死荥守将周苛、枞公。而刘走宛、叶，派人说服英布背叛项羽，成皋。项羽得知后迅速率兵前来攻打，夺下成皋，一路西。刘逃亡巩县，派重兵阻挡，项羽无法。

刘率领五路诸侯兵有五十六万，向东攻打楚国，项羽听闻后，留将继续攻齐，自己亲率兵三万去救援彭城。刘攻下彭城后搜集珍宝人，大摆宴会。项羽率军从早晨开始，由萧县从西打到东，中午时打到彭城，大破刘军，杀死汉兵十余万。刘军逃往南山，项羽率军追到灵东阻拦，汉兵落睢十余万，睢为之不。项羽把刘包围了三层，却被一阵大风楚军，刘趁机率领数十骑兵走脱。

汉元年（公元前206年）八月，齐、赵诸侯叛，项羽率军前往平，听闻刘已定关中，非常愤怒，封郑昌为韩王，派其前往阻挡刘，令萧公角阻击彭越。彭越击败萧公角后，张良伪作韩王书给项羽，说刘只想得关中，不会向东用兵，又伪作齐王、梁王书给项羽说齐王准本和梁王齐心协力灭掉楚国。于是项羽放心攻打齐国。项羽征召九江王英布，英布托病不，派遣手下将领只率领几千人前往，项羽因此怨恨英布。

项羽将荥的刘四面围定攻打，刘军势非常危急，将纪信于是引两千军乘黄车假扮刘城，说刘愿意投降，项羽赶来见到纪信问刘在哪，纪信说刘已经逃走了，项羽于是将纪信烧死。

汉二年（公元前205年）冬，项羽北至城，田荣引兵会战，被项羽击败，田荣逃往平原，被平原民杀死。项羽烧毁齐国房屋，将降卒全坑杀。把掳掠的男女老幼全迁往北海，死伤无数，齐国人因此聚在一起反叛，田横趁机收编齐兵数万反攻城，项羽久攻不下。

汉三年（公元前204年），刘在荥修筑甬用以过河取敖地的粮，项羽军多次侵夺甬，刘军无法取得粮草补充，非常害怕，于是，与项羽议和，项羽同意。

鸿沟和议

刘逃往下邑，收集败亡散卒至荥，各路败军先后前来会合，萧何也发动关中没有登记在册的百姓前来投奔刘，刘因此军势得以重振。项羽乘胜来战，无法取胜。刘彭城大败后，诸侯反叛刘，归附项羽。