项羽的这番计划被其叔父项伯知道后，项伯偷偷地到恩人张良处，劝张良跟他一起走，不要跟刘邦一块儿等死。张良不肯丢下刘邦，立即禀报刘邦。刘邦大惊，接受张良的建议，把项伯请来，像对待兄长那样接待他，亲自向他敬酒祝寿，并攀了儿女亲家。刘邦还向项伯表示：“我进关以来，秋毫无犯，保管好户籍册，封存好府库，就是专等着项将军到来，哪里敢反对项将军呢？您回去以后，请转告项将军，我刘邦决不敢忘恩负义。”项伯说：“明天早上你必须早一点来向项王谢罪。”刘邦满口答应。于是，项伯又连夜返回军营，把刘邦的话告诉了项羽，并且劝项羽说：“要不是沛公首先攻进关中，你哪能轻易进来呢？人家有大功你反而要攻打他，这是多么不应该呀！不如乘明天来谢罪的机会，好好地招待他。”项羽答应了。
第二天早晨，刘邦带领着100多名随从，骑着马，来到鸿门。他一见到项羽，便主动谢罪说：“我和将军同心反秦，将军在黄河以北作战，我在黄河以南作战。没有想到，我能首先攻入关中，推翻秦朝，并有机会在这里再次和将军相见。可是，现在有人想从中挑拨，让将军和我发生误会。”项羽听到这里，便脱口答道：“这都是曹无伤告诉我的，不然，我怎么能误会到这个地步！”说罢就在鸿门设宴款待刘邦。
酒宴摆好，各就座位。项羽、项伯在西面，范增坐在北面，刘邦坐在南面，张良坐在东面。宾主边吃边谈。范增多次向项羽使眼色，并举起佩戴在腰带上的玉停暗示项羽杀掉刘邦。项羽却置之不理。范增便出去找到项羽的叔伯兄弟项庄，对他说：“项王不忍心杀死刘邦。
你现在就到酒宴上去敬酒祝寿，然后，你就请求舞剑助兴，并乘机把刘邦刺死，否则，你我将来都要成为刘邦的俘虏。”于是，项庄来到酒席宴前敬酒祝寿，并对项羽说：“项王跟沛公饮酒，军营里没有什么可以娱乐的，让我来舞剑给您们助兴。”就在席前舞起剑来，项伯看出项庄舞剑的用意，就拔出剑，与项庄对舞，总是用身体保护刘邦，使项庄没有机会下手。
张良也看出气氛不对，连忙离开座席，跑到军营门外去找樊哙。樊哙一见张良就迫不及待地问：“怎么样了？”张良说：“项庄舞剑，意在沛公。”樊哙一听就沉不住气了，一手持剑，一手拿着盾牌直往营门闯。卫士们上前阻挡，樊哙侧着盾牌一撞，把卫士们撞倒在地。三步并做两步来到宴会厅，面对项羽怒目而视。
项羽一见樊哙，大吃一惊，立即直起身子，按着宝剑，大声道：“你是干什么的？”张良连忙说道：“他是沛公的卫士樊哙。”项羽说：“好一个壮士！赏他一大碗酒！”樊哙拜谢，一饮而尽。项羽又说：“赏他一条猪腿！”手下的人给了他一条生猪腿。樊哙把盾牌扣在地上，把生猪腿放在盾牌上，用剑切成几块，大嚼起来。项羽很赞赏，说：“壮士！还能喝酒吗？”樊哙答道：“我死都不怕，还在乎几杯酒？”接着，他又义正辞严地对项羽说：“秦王就像虎狼一样残暴，杀人惟恐少了，用刑惟恐轻了，弄得天下人都反对他。入关之前，楚怀王与诸将约定：‘谁先击败秦军攻入咸阳，就封谁为王’。如今，沛公先进了咸阳，秋毫无犯。他把宫殿府库封起来，退回灞上，等待大王。他派兵守关，是为了防备盗贼和非常事件。沛公这样劳苦功高，大王不仅没有封赏他，反而听信小人的谗言，要杀害有功之人。这跟亡秦有什么不同？我认为大王不应该这样！”项羽听了这番话，不知道该怎样回答，只是说：“坐吧，坐吧。”樊哙就在张良的身边坐下。
一会儿，刘邦推说要去厕所，樊哙、张良先后跟出。刘邦决定让张良留下来，向项羽辞谢，并把带来的一对白璧和一对玉斗交给张良，要他分别献给项羽和范增。刘邦丢下随从、车骑，骑上一匹快马，由樊哙等四员大将护卫抄小路从骊山经芷阳（今陕西长安县东白鹿原霸川上的西阪），奔回灞上军营。
张良估计刘邦快到军营了，便回到酒宴上向项羽辞谢。他对项羽说：“沛公酒量小，醉了，不能亲自来辞行。特意让我奉上白璧一双，献给大王，玉斗一双献给范将军。”项羽接过白璧，放在席上。范增接过玉斗却放在地上，然后拔出剑来，把它击得粉碎，并气愤地骂道：“唉！跟蠢人不能共事。将来夺取项王天下的，一定是沛公。我们就等着做人家的俘虏吧！”
刘邦回到军中，立即杀掉了曹无伤。项羽在处置刘邦问题上之所以如此犹豫，是考虑到刘邦毕竟有入关之功，缺乏将其翦除的借口，而且刘邦这时的实力，也还不足以引起项羽严重的注意。不过，从这件事中也可以看出，项羽缺乏做政治家的才能。
彭城之战鸿门宴以后不几天，项羽就和各路将领带领着人马进入咸阳，大肆屠杀。他处死秦王子婴，火烧了秦朝的宫室。那个“五步一楼，十步一阁”的阿房宫也被付之一炬，足足烧了三个月。项羽收罗了秦宫财宝和美女准备带回彭城。看到项羽的这些作法，关中人民大失所望。有位叫韩生的劝他在关中建都，项羽却坚持要回故乡耀祖光宗，拒绝了韩生的建议。他说：“富贵不归故乡，如衣绣夜行，有谁知道呢！”当时，有人在背后讽刺项羽说：“人们说楚国人就像穿着大衣，戴着人帽的猕猴，外表像人，其实不是人。现在看来，果然如此。”这话传到项羽的耳朵里，他就把这个人抓来活活烹死。
不久，楚怀王准备“照原来约定的办”，即应该封刘邦为关中王。对此，项羽十分不满。他对诸将说：“楚怀王纯粹是我家所扶立起来的，一点功劳也没有，凭什么还让他号令天下？”遂废置怀王于江南郴邑（今湖南省郴县），虚称“义帝”，实际上是有名无实。
公元前206年二月，项羽自立为西楚霸王，把原来楚国、魏国的大部分地区列入自己的封地（今浙江、江苏、山东西部、河南东部），建都彭城。项羽担心刘邦，不想封他为关中王，但是又不愿意落个不遵守盟约的坏名声，便跟范增商量，把刘邦封为汉王，让他占有汉中、巴蜀地区（今陕西南部、四川北部），定都于南郑（今陕西南郑）。为了阻止刘邦通过关中向东扩展，项羽又把关中地区一分为三，封秦朝降将章邯为雍王，建都废丘（今陕西兴平南）；封司马欣为塞王，建都栎阳（今陕西临潼东北）；董翳为翟王，建都高奴（今陕西延安），让他们封住刘邦东进的道路。此外，他在关东地区还分封了14个诸侯王。项羽自称各诸侯王的盟主，地位在各诸侯王之上。
项羽分封诸侯，破坏了秦始皇以来的统一局面，违背了人民希望统一的迫切愿望。同时，他分封诸侯没有一个统一的标准，夹杂着许多个人的好恶。由于分封不公平，没有受封或者封地不多的人，更加不满，酿成了割据势力之间的矛盾和斗争。这年四月，受封的诸王各自领兵回到自己的封地，项羽也东归彭城。这时，义帝还在彭城。项羽催促他赶快迁到都城郴邑。义帝出发后，项羽于十月命九江王英布等追杀义帝于长江。
不久，关东地区便爆发了诸侯王之间的局部战争。田荣首先发难，他领兵赶走了齐王田都，杀了胶东王田市和济北王田安，自称齐王，并与彭越联合起来，反对项羽。陈余也没有被封，便跟田荣联合起来，打败常山王张耳的军队，赶走了张耳。
项羽得到齐、赵两地反叛的消息以后，决定首先进攻为患最甚的田荣，立即调九江王英布领兵伐齐。没想到英布推说有病，不肯亲自出战，只派他手下的将领带着几千人去援助项羽。
项羽因此怨恨英布。公元前205年正月，项羽亲自领兵北上，在城阳（今山东莒县）与田荣会战。田荣自然不是项羽的对手，战败，逃到平原（今山东平原县南），被百姓杀死。项羽乘胜前进，一直向东打到北海（今山东淄博以东、掖县以西地区）一带。在齐国境内，项羽烧毁房屋，夷平城市，活埋降兵，掳掠妇女，结果遭到齐国人民的反抗。田荣的弟弟田横也集聚了齐国散失的士卒几万人，占据城阳，攻击楚军，项羽屡战不胜，被拖在城阳一带。
这时，刘邦已拜韩信为将。他采纳韩信“决策东向，争权天下”的建议，乘东方楚、齐之战已启，三秦王（章邯、司马欣、董翳）立足未定，汉军将士又急切期望东归，于汉元年（公元前206年）八月潜兵北进。首先打败雍王章邯，占领关中大片地盘。不久，塞王司马欣、翟王董翳也都投降了刘邦。刘邦于十一月定都栎阳。为了阻止刘邦东进，项羽又封郑昌为韩王，驻兵阳翟（今河南禹县），对抗刘邦。刘邦也放出风声说，他只想得到关中，无意向东发展；真正想灭掉楚国的是齐国和赵国。项羽上当，专心攻打齐国，刘邦在平定关中以后，继续出关东进，河南王申阳被迫投降，韩王郑昌也被刘邦打败。
汉二年（公元前205年）三月，当项羽与田横在城阳交战之际，魏王豹投降刘邦，殷王司马ヒ脖环虏，刘邦进占洛阳，同时又为义帝发丧，派使者遍告诸王，说项羽杀死义帝，大逆不道，号召各路诸侯一起讨伐项羽。这年四月，刘邦领着河南王、魏王、殷王等五个诸侯王的军队，乘项羽后方空虚之际，一举攻入彭城，并收罗项羽宫中的财宝和美女，每天设宴饮酒，庆祝胜利。消息传来，项羽让部将领兵继续进攻城阳，亲自率领3万精兵向南进发，昼夜兼程地赶回彭城，奔袭刘邦。彭城道上，烟尘滚滚。楚汉之间第一次大规模的交战即将开始。
这时，项羽援救彭城的队伍虽是精兵，但只有3万；刘邦在彭城的军队却有56万。双方的兵力悬殊很大。不过，刘邦仗恃着兵多将广，沉醉于眼前的胜利，麻痹、轻敌；项羽却急如星火，决心以少胜多，收复失地。所以汉军军心松懈，失于戒备；楚军却斗志旺盛，求胜心切。
四月的一天早晨，项羽率领楚军从彭城以西的萧县（今江苏萧县西北）向东攻打刘邦的汉军，利用骑兵机动性大的特点，采取包围闪击战术，猛攻刘邦联军侧背。中午，楚军在彭城把汉军打得大败，一直追到彭城东北的泗水，汉军无路可走，纷纷落入水中，淹死、战死的汉兵有10多万人。刘邦被迫撤离彭城，向西南方向溃逃。楚军追到彭城西南灵壁（今安徽宿县西北）以东的睢水边。前有睢水拦路，后有楚军掩杀，汉军死亡不计其数，10多万人只好跳进睢水逃命，但是人多拥挤，加之水深流急，死伤枕藉，睢水为之断流。刘邦的父亲和妻子被俘，刘邦自己也险些被俘，只率数十名骑兵突出重围。
彭城之战是楚汉之争的第一次重大战役。在这次战役中，楚军在项羽的指挥下，以少胜多，击溃了汉军，很快收复了彭城，打了一个漂亮仗。已经投奔刘邦的诸侯，这时又纷纷归顺项羽。项羽达到楚汉战争时期的顶峰。
成皋之成刘邦自彭城惨败以后，深感兵强将勇的楚军不是轻而易举就能战胜的。为了改变楚强汉弱的不利形势，他采纳张良等人的意见，退据地势险要又有充足储粮的荥阳、成皋（河南荥阳西北）一线，在政治上争取同项羽有矛盾的英布和彭越，重用韩信，在军事上制定了正面相持、敌后袭扰和南北两翼牵制楚军的作战方针。
荥阳和成皋同为关东重镇，是出关东进的必经之路。这里依山傍水，地势险要，黄河从北面流过，与济水汇合，水路交通便利。北面的敖仓是秦朝在关东的最大粮仓，西面是函谷关，关中的物资可以源源不断地运来。所以，荥阳和成皋是进可攻、退可守的战略要地。于是，楚汉之间旷日持久的争夺战，便在荥阳、成皋地区展开。
项羽这时已认识到刘邦是他的主要敌人，所以决定不给刘邦喘息的时间，又亲率大军追至荥阳。刘邦得到留守关中的萧何发来的援兵，韩信也率部前来会合，于是挑选了一些精锐骑兵阻击楚军，暂时挡住了项羽的攻势。项羽根据敌我形势的变化，也决定改变战略，与齐、赵约和，派人拉拢英布，准备与英布合力西进关中，捣毁刘邦的战略要地。
刘邦在荥阳站稳脚跟后，为了巩固后方，于汉二年（公元前205年）六月回到关中，彻底剿灭章邯的残余势力，并派兵加强临晋关、函谷关、武关等地的守备，转运关中地区的粮食和兵员不断支援前线。八月，刘邦返回荥阳、成皋，指挥作战。这时，刘邦派往九江的随何已劝说英布背楚附汉，但在彭城战后背汉附楚的魏王豹，却拒绝再回到刘邦阵营。刘邦于是派韩信北征魏王豹，以解除其对荥阳、成皋前线和关中的威胁。