劉邦聽從蕭何的建議，拜韓信為大將，執掌兵權，準備攻打漢中。蕭何整頓後方，訓練人馬。公元前206年，漢王和韓信率領漢軍進攻漢中。
戰爭開始後，由於關中的老百姓對“約法三章”的漢軍本來就有好感，所以，漢軍每到一處，士兵、百姓都不願抵抗。不到三個月的時間，劉邦就消滅了秦國降將章邯的兵力，牢牢地控製了關中地區。項羽得知劉邦攻占了整個漢中，準備率兵來打。但是西麵齊國的田榮也起來反抗項羽，把項羽所封的齊王趕下台，自立為王，項羽隻好扔了劉邦這一頭帶兵去鎮壓田榮。
劉邦趁項羽和齊國相持不下的時候，率軍東進，攻下了西楚的都城彭城。項羽趕緊往回撤兵。雙方在睢水展開了一場大戰。戰鬥一開始，雙方誰也不知道對方有多少人，隻打得昏天黑地，屍橫遍野。到最後，漢軍戰敗，劉邦的父親太公和妻子呂氏也被楚軍俘虜了。
劉邦領著殘兵敗將，退到滎陽成皋一帶，嚴密布防。另一方麵派韓信帶領兵馬向北收服了魏國、燕國和趙國的地盤，又派陳平用重金挑撥項羽和範增的關係。項羽本來疑心很重，聽信了謠言，真的懷疑起範增來。範增一氣之下告老還鄉，又氣又傷心的他死在路上。範增一死，項羽身邊少了一位得力的謀士，漢軍的壓力也減輕了。劉邦又叫彭越在後方截斷楚軍的運糧道，這樣就有效地控製了楚軍。楚漢雙方這樣對峙了兩年多。
公元前203年，項羽決定自己帶兵去攻打彭越。臨走時，他再三叮囑成皋守將曹咎，無論如何也要堅守城池不許出戰。劉邦見項羽一走就向曹咎挑戰。曹咎說什麼也不戰。後來劉邦叫士兵整天隔著汜水辱罵楚軍。曹咎受不了劉邦士兵的辱罵，渡江作戰被劉邦打得大敗。曹咎覺得沒臉見項羽，就抹脖子自殺了。
項羽聽說成皋被漢軍占領，曹咎自殺，急忙趕回來，楚漢兩軍在廣武（今河南滎陽縣東北）又對峙起來。
正當劉邦想和項羽決一死戰的時候，項羽派使者給劉邦傳話說：“現在天下不安定，都是由於你我兩人相持不下造成的，你敢不敢與我比試高低，別讓老百姓受連累了。”劉邦也叫使者回話說：“我願意比文鬥智。”劉邦和項羽各自出陣來，劉邦為了叫項羽在楚、漢軍麵前威風掃地，便曆數項羽有“十大罪狀”。
項羽聽劉邦述說自己的“十大罪狀”，忍無可忍，也不回答，回頭作了個暗示，鍾離昧帶領弓箭手一陣亂箭齊發，劉邦剛要回頭，胸口已經中了一箭，他忍住疼痛，故意彎下身，大叫道：“不好，賊兵射到我的腳趾了。”眾將土急忙把他扶到營裏，叫醫官醫治。張良怕軍心動搖，便勸劉邦勉強起來，坐在車上巡視軍營。
項羽見劉邦沒死，還能巡視軍營，而楚軍糧草已供應不上，感到進退兩難。
劉邦重傷在身，見雙方相持不下，也非常著急。這時，洛陽人侯公從中調和了一下，雙方定下協議，楚漢雙方以滎陽東南的鴻溝為界，鴻溝以東屬楚，鴻溝以西屬漢，雙方各守疆土，互不侵犯，停止內戰。協議達成後，項羽把太公和呂氏也放了回來。