项羽听说汉王刘邦在宛县出现，果然率领大军向南，迎击汉军，汉王此次深沟高垒，不再与楚军正面交锋。在同一个月，彭越渡过睢河，与项声、薛公率领的楚军在下邳大战，将留守的楚军打得大败，同时斩杀薛公。项羽命令终公固守在成皋，项羽亲自率领楚军从东边进攻彭越。汉王乘此机会率领汉军向北，打败终公，重新占领成皋。汉纪元三年六月，项羽已经打败彭越，彭越率领残军退走。项羽听说汉军重新占领成皋，随即率领楚军向西猛攻荥阳，终于夺取荥阳城，活捉周苛。项羽对周苛说：“投降吧，我可以封你为上将军，赏赐你三万户食邑。”周苛对着项羽大骂：“你再不快些投降汉军，就要成为汉军的俘虏了，你根本不是汉王的对手。”项羽用鼎烹杀了周苛，又杀掉枞公，俘虏韩王信，然后挥军包围成皋。刘邦此次只好又轻装简从，与滕公一起乘坐一辆车，从成皋北门逃出，一路向北，渡过黄河，来到小修武。而后刘邦假冒使者，清晨单车驰入张耳、韩信的军营中，在他们还未查觉的情况下，夺去二人的军权。刘邦命令张耳向北，在赵国继续征兵。

汉纪元三年秋天七月，天空大角星方位出现彗星。汉王有了韩信的这支生力军，汉军士气又重新大振。汉纪元三年八月间，刘邦将军队布置在黄河沿线，面对着南面的黄河，指挥部设在小修武，准备与楚军再次交战。刘邦手下一位郎中，名字叫做郑忠的劝说汉王，汉军此时最好是深沟高垒，不急于与楚军开战。汉王认为郑忠讲的有道理，随即命令卢绾、刘贾率领二万汉军，包括数百名骑兵，从白马津渡过黄河进入魏（梁）地，协助彭越烧毁楚军的粮草和后勤辎重，又在燕县城郭西边大败楚军，攻占睢阳县、外黄县等十七座城邑。汉纪元三年九月，项羽对海春侯大司马曹咎说：“将军小心守卫住成皋。如果汉王前来挑战，千万小心，不要与汉军接战。只要汉军不能向东，我们就达到了目的。在十五日内，我一定会平定梁地，而后再返回来与将军回师。”项羽率领楚军向东迎击彭越。

汉王让郦食其去说服齐王田广，撤除齐军对汉军的防备，与汉军联合起来抗击楚军。

汉纪元四年冬天（公元前203年）十月，韩信采纳了蒯通的建议，率领汉军袭击齐军，大败齐军。齐王田广认为郦食其欺骗自己，烹杀郦食其，率领齐国残军向东，逃往高密县。项羽听说韩信已经打垮齐国，正在整军，准备进攻楚军，即刻派龙且前往齐国，救援齐王。

汉军果然在成皋城外向楚军挑战，楚军坚守不出，汉军于是在城外连续几天地高声叫骂，大司马曹咎忍无可忍，终于率军渡过汜（sì）水河，部队刚渡过一半，汉军发起攻击，大败楚军，缴获了大量的金玉财宝。大司马曹咎和长史司马欣在汜水岸边自杀。汉王刘邦率领大军渡过黄河，再次占领成皋，刘邦率领汉军驻扎在广武县，靠近敖仓，就近获取军粮。

项羽收复魏（梁）地十余座城邑，听说海春侯曹咎战败身亡，马上率领楚军杀回。汉军此时正在荥阳东边围困钟离眜，听说项羽率领楚军杀到，吓得四下逃窜，躲避楚军。项羽也将楚军驻扎在广武县，隔着一条广武涧，与汉军对峙。两军将士，由于连年征战，此时已经是疲惫不堪，年老的、身体差的还要转输军粮。汉王刘邦、楚王项羽隔着广武涧相互指责。楚王项羽提出要向汉王刘邦单独挑战，刘邦指着项羽说：“我最初与你一起受命于怀王，共同约定，先进入关中者称王。你却事成后违背约定，将我贬黜到蜀汉为王，这是你的第一宗罪；你假借王命诛杀卿子冠军宋义，自封为将军，这是你的第二宗罪；你救援赵国后应该向怀王奏报，却擅自合并诸侯军队，进入函谷关，这是你的第三宗罪；怀王早就有诏命，进入秦地后，严禁烧杀抢掠，你进入咸阳后，却大肆焚烧秦廷宫室，挖掘始皇帝的陵寝，抢掠秦地的财物，这是你的第四宗罪；你擅自杀害秦降王赢子婴，这是你的第五宗罪；你用欺诈手段，在新安县坑杀已经投降的秦军二十万人，把秦军降将封为诸侯王，这是你的第六宗罪；你分封诸侯王不公，自己亲近的人，封到好地方，并且赶走六国君主的后代，致使天下纷扰，臣下叛逆，这是你的第七宗罪；你把义帝赶出彭城，自己霸占彭城设都，夺取韩王的土地，将梁国土地合并进楚国，这是你的第八宗罪；你派人在江南杀害义帝，这是你的第九宗罪；你身为人臣却杀害君主，战胜敌人而杀其降军，你为政不平，立约不信，天下人忍无可忍，都认为你是大逆不道，这是你的第十宗罪。我今天率领义军与各路诸侯讨伐残贼，为了受到你残害，还没有死去的人，向你讨回公道，我为何要与你单打独斗！”项羽听到此，肺都气炸了，埋伏的弓弩手连发弩箭，射中汉王刘邦，刘邦胸部受伤，此时却急中生智，摸着脚说：“贼虏射伤了我的脚！”汉王刘邦伤势很重，躺卧在军营中，张良劝刘邦挣扎着起来，在军营中巡视，以稳定军心，不要让楚军抓住机会。刘邦挣扎着坐起来，在军营里巡视一周，伤势很重，只得用车子载着，飞快地驰入成皋，修养弩伤。

汉纪元四年（公元前203年）十一月，韩信与灌婴率领的汉军大败援齐的楚军，斩杀楚将龙且，大军追至城阳县，俘虏齐王田广，齐国丞相田横自立为齐王，前去投奔彭越。汉王刘邦立张耳为赵王。

汉王的伤情逐渐痊愈，又西入函谷关，返回关中，抵达栎阳县，慰问秦地的父老乡亲，置办酒宴招待百姓。而后汉王刘邦将塞王司马欣斩首，头颅悬挂在栎阳的闹市中示众。在栎阳停留四天后，刘邦返回军中，继续在广武县与楚军对峙。关中征调来的士兵源源不断地补充进汉军，彭越、田横率领的军队驻扎在梁地，也在不断地骚扰着楚军后方，截断楚军粮道。

韩信此时已经完全控制了齐国，韩信派人向汉王请求：“齐国南边紧靠楚国，臣在齐国，权力很轻，不足以稳定齐国，请求汉王允许，让臣在齐国暂时代理齐王，否则难以安定齐国。”汉王听到这样的请求，勃然大怒，冲动之下，就要对韩信用兵。张良在一旁劝阻，张良说：“不如因势利导，就此任命韩信为齐王，让韩信守住齐国，挡住项羽。”汉纪元四年春天二月，刘邦派张良带着一枚齐王印，正式立韩信为齐王。汉纪元四年秋天七月，汉王立黥布为淮南王。八月，开始征收算赋（汉制，百姓十五至五十六岁，每人每年征收一算钱，共一百二十钱，专供军用）。北部塞外的貉（mò）人、燕人也派出精锐骑兵，前来援助汉王。汉王刘邦下令：军中不幸战死者，官吏为死者准备葬衣、棺材，送回家去。由于实行了很多惠民政策，刘邦已经彻底征服民心。

项羽已经感觉到民心离散，军粮难以为继，韩信此时也准备从齐国向楚军进攻，项羽更加忧虑。汉王刘邦派陆贾前来与项羽谈判，请求项羽释放刘太公，项羽最初不答应。刘邦再次派侯公来说服项羽，项羽终于答应与刘邦签订协约，平分天下，以鸿沟为界，鸿沟以西属汉，鸿沟以东属楚。汉纪元四年（公元前203年）九月份，项羽释放刘太公和吕雉，汉军欢呼万岁。刘邦封侯公为平国君。项羽整顿楚军，准备向东撤退。刘邦也在整顿汉军，准备向西撤退，返回关中，张良和陈平劝说汉王刘邦，他们说：“今天的汉国，已经拥有天下一大半的土地，天下百姓归心，各路诸侯已经归附君王，楚军现在是兵困粮尽，这是上天要灭亡楚国的最好时机，如果君王不能在此时抓住机会，取得完胜，将来只怕会养虎为患。”汉王刘邦同意他们的见解。