項羽在兩面受敵的情勢下，采取先齊後漢方針，繼續攻齊，主力被牽制在齊地。劉邦再度抓住戰機，壹面鞏固關中，壹面擴張勢力，親自率軍由函谷關出陜縣(今河南三門峽市西)東進。迫降河南於申陽、韓王鄭昌；魏王豹率軍歸附，繼而俘虜殷王司馬門，迅速占領了今河南及山西中、南部廣大地區，造成東進的有利態勢。
二年四月，劉邦乘齊、楚兩軍膠著之際，在洛陽接受董公“兵出無名，事故不成”，“明其為賊。敵乃可服”(《資治通鑒·卷九·高帝二年》)的建議，以項羽殺害楚懷王為口實，為義帝報仇討逆為政治號召，聯絡各地諸侯王，率聯軍56萬攻楚，壹舉襲占楚都彭城(參見彭城之戰)。項羽留部將繼續擊齊，自率精兵3萬疾馳南下乘劉邦陶醉於勝利，毫無戒備之際，以少勝多，大敗漢軍，收復彭城。劉邦僅率數十騎突出重圍，逃回滎陽(今河南滎陽東北古滎鎮)。此役，漢軍被殲數十萬，元氣大傷。
劉邦戰敗，諸侯紛紛背漢向楚。為擺脫被動局面，劉邦爭取英布，重用韓信、彭越，從各方面聯合反楚力量。軍事上，則利用滎陽、成臯(今河南滎陽西北汜水鎮）有利地形，分兵扼守險要，以爭取時間，發展自己，待機再戰同年五月，劉邦在滎陽得到蕭何征得的關中兵員補充，韓信亦率援軍趕到，在滎陽東戰敗楚軍，阻遏了楚軍西進攻勢。楚漢雙方在滎陽、成臯壹線相持，戰局相對穩定(參見成臯之戰)。六月，劉邦回返關中，引水攻破廢丘，消滅章邯，盡占關中。隨之采取立太子、赦罪人、立法令、設縣邑，加強邊塞守備等措施，以建立穩固的後方基地。八月，又回到滎陽前線。
三年初，楚軍對漢軍正面防線發動攻勢，數次切斷漢軍運糧甬道，攻占滎陽、成臯。劉邦敗逃關中。為調動項羽，分散其兵力，擺脫固守城池，被動挨打的局面，劉邦采納謀士轅生建議。於五月率軍出武關，兵至宛(今河南南陽市)、葉(今河南葉縣西南)。項羽急於尋漢軍主力作戰，果然率軍自滎陽、成臯南下宛、葉。漢軍堅壁不戰。此時，彭越攻占楚後方重鎮下邳(今江蘇睢寧北古邳鎮)，迫使項羽回師解救。漢軍乘機迅速北上，收復成臯。六月，項羽回軍，對漢軍發動第二次攻勢，再占滎陽、成臯，並揮軍西進。漢軍敗至鞏縣(今河南鞏縣西南)，深溝高壘，阻擊楚軍。為減輕正面壓力，劉邦遣劉賈，盧綰率兵2萬增援彭越，在楚後方攻城略地，斷楚糧道，迫項羽第二次回兵東擊彭越，漢軍再次收復成臯。
二年八月，魏王豹踞河東(郡治安邑，今山西夏縣西北禹王城)反漢，威脅漢軍側翼。劉邦先派酈食其遊說未成，即命韓信率軍進攻。韓信突襲安邑，生擒魏豹。劉邦繼而采納韓信“北舉燕、趙，東擊齊，南絕楚少糧道，西與大王會於滎陽”(《漢書·韓信傳》)的建議，給韓信增兵3萬，開辟北方戰場(參見韓信破代、趙、燕、齊之戰)。同年閏九月，韓信首先破代。
三年十月，越過太行山，與趙軍戰於井陘口（今河北井陘東南)(參見井陘之戰)，韓信壹反常規，背水設陣，大敗趙軍。隨之乘勢不戰而降燕。四年十壹月，又大破齊、楚聯軍於濰水(今山東濰河)(參見濰水之戰)之濱，平定齊地。至此，韓信東進2000余裏，從東、北兩面形成對楚軍的戰略包圍態勢，直接威脅楚大後方。三年十壹月，劉邦在正面對楚作戰的同時，遣謀士隨何遊說九江王英布叛楚附漢。英布據有九江(郡治壽春，今安徽壽縣)、廬江(郡治舒縣，今安徽廬江西南)二郡，具有相當實力。英布歸漢，項羽側翼危急，忙遣龍且進攻九江軍。劉邦達到了在南方牽制、分散楚軍之目的。項羽第二次率軍東擊彭越，兵至睢陽(今河南商丘西南)，聞漢軍再次收復成臯，急忙引兵回救。漢軍據險堅守，雙方在廣武(今河南滎陽東北)形成對峙。是時，楚軍北有韓信據齊地威脅都城；腹地有彭越遊動作戰，又須分兵南據九江，以致兵力分散，腹背受敵，糧草匱乏，欲戰不能。劉邦則據滎陽、成臯之戰堅守不戰。四年八月，楚軍糧盡，被迫與劉邦訂立和約“中分天下”(《史記·項羽本紀》)，劃鴻溝(古運河，位於今河南滎陽以東)為界，東歸楚、西屬漢。楚漢兩軍在滎陽、成臯壹線相持兩年零五個月後，休兵罷戰。
四年九月，項羽遵約東撤，劉邦亦欲西返。張良、陳平認為“漢有天下太(大)半，而諸侯皆附之。楚兵罷(疲)食盡，此天亡楚之時也”，建議“不如因其機而遂取之”(《史記·項羽本紀》)。劉邦遂背約，向楚軍突然發起戰略追擊，並約集韓信、彭越南下合圍楚軍。五年十月，劉邦追擊楚軍至固陵(今河南太康南)，因韓信、彭越按兵不動，未如期會師，遭楚軍早擊，大敗，被迫堅壁自守。劉邦從張良計，分別給韓、彭割地封王。十二月，調集韓信、彭越、英布、劉賈等各路大軍40萬人，將10萬楚軍包圍於垓下(今安徽靈璧，壹說今河南淮陽、鹿邑間)(參見垓下之戰)。楚軍兵少食盡，屢戰不勝。夜聞楚歌四起，軍心瓦解。項羽率800騎突圍南逃，劉邦派兵追擊。項羽至烏江(今安徽和縣東北蘇皖界上的烏江鎮)兵敗自刎。垓下壹戰，劉邦全殲楚軍，獲得最後勝利，建立了西漢王朝。
楚漢戰爭歷時3年多，戰地之遼闊，規模之巨大，用兵韜略之豐富，前所未有，在中國古代戰爭史上占有重要地位。名將韓信在戰爭中顯示了其卓越的統帥才能。先還定三秦之戰、再破代、攻趙、降燕、伐齊，最後在垓下全殲楚軍，其還定三秦之戰暗渡陳倉；井陘之戰背水設陣、拔幟易幟；濰水之戰以水沖敵、半渡而擊；垓下之戰四面楚歌、十面埋伏。韜略之豐富，用兵之靈活，在中國戰爭史上寫下的光輝的篇章，亦為歷代兵家所推敬借薦。 楚漢戰爭歷時3年多，戰地之遼闊，規模之巨大，用兵韜略之豐富，前所未有，在中國古代戰爭史上占有重要地位。名將韓信在戰爭中顯示了其卓越的統帥才能。先還定三秦之戰、再破代、攻趙、降燕、伐齊，最後在垓下全殲楚軍，其還定三秦之戰暗渡陳倉；井陘之戰背水設陣、拔幟易幟；濰水之戰以水沖敵、半渡而擊；垓下之戰四面楚歌、十面埋伏。韜略之豐富，用兵之靈活，在中國戰爭史上寫下的光輝的篇章，亦為歷代兵家所推敬借薦。
電視劇裏有錯誤，雖然象棋裏楚軍黑色，漢軍紅色。但真正裏歷史上楚軍為黃色，因為楚國羋氏崇尚土德，漢軍不變。