戰爭初期，章邯的30萬大軍明顯處於優勢地位，此時他已控製中原地區。然而項梁接受謀士範增的建議，擁立曾受秦王之騙死在秦國的楚懷王之孫心（當時已是放羊娃）為王，仍號楚懷王（即義帝），都於盱眙（今江蘇境內），以便籠絡人心。項梁又封勢力強大的陳嬰為上柱國，而自號武信君。由此，最初的戰爭中，項梁的隊伍取得了一係列勝利，先是敗章邯於東阿等地，此後項羽與劉邦又在城陽、雍丘等地打敗秦軍，斬三川郡守李由。此時項梁的弱點開始暴露出來，他驕傲輕敵，聽不進手下宋義的勸告，被章邯偷襲於東部交通中心名城定陶（今山東境內），項梁戰死，其軍大敗。項羽、劉邦等收集餘部退到彭城（今江蘇徐州）一帶，義帝也遷來此地試圖直接掌握起義軍。
而此時章邯乘勝追擊，以為楚軍毫無回旋餘地，不用再擔心，便渡過黃河，北上擊趙，很快大破趙軍，占領其都城邯鄲（今河北境內）。當時陳勝派去的武臣已在內部鬥爭中被殺，掌握政權的為趙王趙歇。他率軍退守巨鹿（今河北平鄉西南）城內，章邯派王離、涉間等圍之。趙歇盤踞不出，並向楚王義帝求救。另幾支援軍則畏懼章邯威風，不敢輕舉妄動，隻是按兵不動，徘徊觀望。義帝派遣在前段戰事中表現卓越的宋義為上將軍，項羽為次將，範增為末將，率軍救趙。而宋義卻試圖等待秦趙交手，坐收漁人之利，停留安陽（今河南境內）46天不進。項羽奉勸不得，怒殺宋義，威震楚軍，被擁立為上將軍。最初，項羽派遣英布、蒲將軍率軍2萬渡河，初戰獲勝，切斷了章邯與王離的聯係。緊接著項羽毅然率領全部楚軍度過漳水，而且下令“皆沉船，破釜甑，燒廬舍，持三日糧，以示士卒必死、無一還心”。這就是我們所熟知的“破釜沉舟”的典故。兵將皆知自己若是失敗也沒有退路，因此一心殺敵，楚軍戰士個個勇猛無畏，以一當十，喊殺聲震天動地，令敵人心驚膽顫，度過漳水之後九戰九捷，大敗秦軍，殺秦將蘇角，生擒王離，迫使涉間自殺。項羽在這場戰爭中充分發揮了其傑出的軍事才能，不僅戰略戰術無懈可擊，以少勝多，而且充分掌握兵將心理，將其潛能發揮到極致。
此時，一直持觀望態度的齊、燕等軍亦紛紛助戰，巨鹿之圍終被項羽所破。戰爭勝利後，項羽召見諸侯援軍將領，他們進入轅門，個個跪下移動行進，不敢抬頭看他。在這場戰役中，項羽戰勝的不僅是秦軍，也使得北方各路諸侯紛紛臣服，確定了其反秦首領的地位。是為公元前207年10月。
之後，章邯軍與項羽對峙，章邯始終在退兵和投降之間猶豫不決。而此時的秦朝大閹趙高專權，可謂奸臣當道，朝野一片混亂，他們連章邯派來彙報和求援的人都不見。再加上謀士司馬欣的勸說，章邯最終率軍20萬投降項羽，被封為雍王，而司馬欣為上將軍。秦軍主力投降，秦朝於是再也沒有反擊的力量。曾經恢宏的秦王朝，也不得不麵臨著滅亡的結局。已是楚軍隱患的20萬秦降軍，最終在新安（今河南澠池）被項羽偷襲並坑殺，成為繼長平之戰後的又一大慘劇。項羽人性中的暴戾也在此展露無疑。而且，他雖然在軍事上取得了重大成果，為推翻秦王朝作出了貢獻；但是在政治上卻造成了不可彌補的損失，坑殺20萬秦軍遭到關中人民的切齒痛恨，反為其後劉邦的興起幫了大忙，為大漢王朝的建立鋪平了道路。
在項羽奮力救趙的同時，劉邦也奉楚義帝之命，乘機西進攻取秦朝統治中心首都鹹陽城。較項羽麵臨的秦軍主力而言，這一路所遇到的障礙要大為減小，所向披靡。然而，劉邦軍隊的實力也不可與項羽相比。由此，他在西進的同時，也尤為注重擴充自己的實力。
劉邦繼續發揮其擅長處理人際關係的優勢，拉攏人心。此時已絕非在沛縣一個小縣城，不是僅僅數十名壯士的追隨。而今，陳勝吳廣散落的部將以及各地零散的反秦武裝，紛紛歸順劉邦。很快，劉邦組成了一支10萬餘人的軍隊，實力大為提升，這也為其日後與項羽楚漢之爭奠定了基礎。
在此期間，劉邦還遇到了又一批日後能助其成就功業的大才，儒生酈食其就是很典型的人物。據說他初次請求與劉邦見麵，欲與其共論天下大事時，後者聽說來者是一儒生模樣，便心有不悅，拒之不見。酈食其聽後十分惱怒，再令侍者上報“我是高陽酒徒”。劉邦聽後，方知此人絕非等閑之輩，立即召見。酈食其一見到劉邦便大罵：“你不是在考慮天下大事嗎？可是沒有讀書人又怎能得天下呢？”劉邦頓時連聲道歉，請其傳授奪攻秦之計。酈食其隻一句話，就解決了劉邦目前麵臨的最大問題：“奪取陳留！”陳留（今河南開封東南）乃是當時的交通要道，又是糧食儲備地。奪得此地，方有抗秦的資本。酈食其不僅為劉邦出謀劃策，而且憑借三寸不爛之舌，不用一兵一卒即幫助他奪取了陳留，一時名聲大振。
不久，在攻打宛城（今河南南陽）時，劉邦又一次聽取謀士們的建議，對秦朝地方官員采用招降封賞的形式。這樣既減少了戰爭中的消耗，又擴展了自己的隊伍，可謂一舉兩得。更重要的是，劉邦在秦國百姓中留下了“仁愛之君”的良好印象，這筆無形的財富實際上更為難能可貴。由此之後，途中幾所城池均十分順利就被他招降，這一切順利得幾乎有點讓人疑惑其真實。與項羽“破釜沉舟”的悲壯相比，劉邦著實是幸運的。
當然，當時還有一個客觀因素，就是秦王朝內部的問題。正如章邯投降項羽一樣，秦朝各守城也早已對嬴氏朝廷有所不滿。尤其奸臣當道，趙高壟斷政權，群臣敢怒不敢言。而這時候來了劉邦，於是眾人索性將希望寄予在他身上，更何況，劉邦本就是極具個人魅力的領袖，這樣的人日後若成了君主，豈不是百姓的福氣！
公元前207年8月，劉邦攻打武關（當年楚懷王槐被騙之地）。趙高發動政變，殺死秦二世，立子嬰為秦王。不久子嬰又殺掉趙高，自立為秦王，並又在更近的嶢關設防。劉邦采取張良計策，派少數兵丁在附近山頭插上無數旗子，迷惑秦兵；而大部隊則在周勃帶領下，繞過嶢關，攻入藍田，進駐關中，秦軍大敗。公元前206年，劉邦進軍灞上（今陝西西安郊區），子嬰以繩索係頸，素車白馬，向劉邦投降，秦朝就此滅亡。
曾經，小小的泗水亭長劉邦麵對始皇的車隊慨歎“大丈夫當如此”，而今始皇的子孫向他跪降。若是始皇九泉之下知道其後代如此的下場，又會作何感想呢？