汉二年 (公元前205年)四月，彭城一战、汉军惨败。五月，汉王刘邦得到萧何送来的大批兵员，补充了部队，使汉军得以重振。这时，韩信、灌婴等在京 (今荥阳东南) 、索(今荥阳)一带已阻止住楚军的攻势，初步稳定了局势。刘邦修筑了一条甬道直通至黄河边，并取敖仓的粮米食用，决心以关中为基地，依托荥阳、成皋的有利地势，与楚军抗衡。在此前后，刘邦还派人说服英布举兵反楚，又联络彭越扰楚后方，牵制了楚军很大一部分兵力。八月，刘邦派韩信开辟北方战场，连破魏、代，击灭赵军主力。与此同时，刘邦派一部分兵力渡过黄河，攻克河内(即怀县，今河南武陟西南)、朝歌(今淇县)、安阳、邯郸，接应韩信。项羽察觉汉军意图，几次派兵争夺赵地，均被韩信击退。三年春，项羽集中全力对汉军发动攻势，派兵截断汉军甬道、粮道，将荥阳紧紧围住。城内军民缺水缺粮，十分困难。刘邦以请和为缓兵计，答应将荥阳以东割给项羽；继用陈平反间计，迫使主张急攻荥阳的范增离楚而去；又让部将纪信冒充自己诈降，乘机逃出荥阳。项羽挥军急攻荥阳，夺占成皋。

刘邦在汉中征得新兵后，率军出武关，经宛、叶，以吸引楚军，减轻荥阳压力。韩信也从赵地南下进至黄河北岸，策应荥阳守军。项羽急于寻找刘邦主力决战，果然引军南下，刘邦却坚守不出。这时，彭越军渡过睢水，攻克下邳，杀楚将薛公。项羽感到都城危急，留下终公守成皋，急忙率军东征彭越。刘邦乘机北上，击败终公，收复成皋。六月，项羽击败彭越后，发动第二次攻势，一举夺占荥阳、成皋。刘邦逃到黄河北岸，汉军在巩县、小修武一带设防，深沟高垒，不与楚军交锋，阻止了楚军西进。刘邦遂命韩信在赵地组建新军击齐；派卢绾、刘贾率兵 2万渡过白马津，深入楚地，协助彭越扰敌后方，连克睢阳、 外黄等 17城，并烧毁楚军粮草。项羽闻讯大惊，第二次回师解救。临行前，留大司马曹咎守成皋，嘱其坚守勿战。刘邦用激将法诱曹咎出战，在把水乘其半渡而击，大败楚军，再次收复成皋，曹咎、司马欣、董翳自杀。

刘邦率兵驻于广武，就食于敖仓，进围荥阳。项羽得知成皋再度易手，遂回师反扑，先解荥阳之围，想在广武与刘邦决战，但刘邦拒不与战，两军对峙数月之久。三年十一月，韩信在潍水之战中大败齐楚联军，尽占齐地，旋即派灌婴领兵深入彭城附近。项羽见楚军腹背受敌，又无外援，被迫与汉议和，以鸿沟为界，中分天下，东属楚，西属汉。九月，项羽引兵东归。