項羽殺死宋義的消息傳到楚國，舉國震驚，楚懷王接到報告後，便命項羽為上將軍，統率全軍救趙。
項羽接過指揮權後，立即出兵。他首先派大將英布等率兩萬人馬先渡過漳河，直撲巨鹿。英布等人與秦軍交戰數日，雙方互有勝負。項羽於是率領大軍全部渡過漳河。渡河之後，項羽突然下令，將渡河船隻全部鑿沉，把做飯用的鐵鍋和瓦甑全部砸碎，把營舍全部焚毀，每人隻準帶三天的口糧，用以向士兵表示此戰不勝即死亡的決心，全軍將士明白已無退路，隻有死戰才可生還，個個精神大振，準備與秦軍決一死戰。
大戰前夕，項羽與謀士範增商議進攻策略，認為巨鹿已被包圍一年，城內糧草將盡，危在旦夕，應先解除巨鹿之圍，然後集中兵力對付秦軍主力章邯。隨後，項羽率全軍兵分三路殺向巨鹿，將圍困巨鹿的秦將王離部隊包圍。楚軍因無退路，隻能死戰，所以將帥士兵個個勇猛作戰，無不以一當十，衝殺聲驚天動地，以雷霆萬鈞的氣勢衝向秦軍。秦軍將人馬分成九路，布成嚴密的戰陣，拚力抵抗，但在楚軍排山倒海般的凶猛攻勢下，土崩瓦解，全線潰退。在三天中，楚軍與秦軍大戰九次，擊敗秦軍九路兵馬，九戰九捷，大破秦軍於巨鹿之野，斬殺秦將蘇角，生擒大將王離，秦將涉間進退無路，引火自焚而死，章邯所率秦軍主力也被擊潰。
當楚軍與秦軍大戰時，前來援救巨鹿的齊、燕等諸侯國軍隊都不敢參戰，個個都坐壁上觀。楚軍將士凶猛無比的戰鬥精神、驚心動魄的大廝殺場麵、山崩海嘯般的喊殺之聲，即使是坐壁上觀的諸侯國軍隊見了，都驚駭萬分，肝膽俱裂。
項羽大敗秦軍之後，在駐地召見各路諸侯將領。他們剛一進入營門，就都跪在地上，膝行前進，一個個戰戰兢兢，不敢抬頭仰視項羽。項羽從此威震天下，作了諸侯上將軍，所有諸侯軍隊都統歸項羽麾下，他成為反秦鬥爭中叱吒風雲的英雄。
巨鹿大戰後，項羽乘勝追擊，在汙水上再次大破秦軍。秦將章邯走投無路，於七月間率剩餘秦軍二十餘萬人向項羽投降。項羽領導的反秦起義軍主力獲得了全殲秦軍主力部隊的重大勝利，從而為整個滅秦戰爭奠定了勝利的基礎，為劉邦軍順利進攻關中，攻取秦都鹹陽創造了有利條件。