於是，陳嬰不敢稱王，對自己的軍吏說：“項氏世代為將門之家，在楚國有名望。今日將要舉行大事，需要這樣的人擔任將領。我們如能依仗名家大族，滅亡秦朝是必定無疑的了。”
眾人聽從陳嬰的言論，讓部隊歸項梁指揮。項梁渡過淮河後，黥布、蒲將軍也率兵歸屬項梁。項梁總共有六七萬人，駐紮在下邳。
此時，秦嘉已立景駒為楚王，駐紮在彭城東麵，想要抵拒項梁。項梁對部下軍官說：“陳王首先起義，作戰不利，不知去往何處。如今秦嘉背叛陳王而立景駒為王，大逆不道。”
於是，出兵攻擊秦嘉，秦嘉敗走。項梁追擊至胡陵（今山東魚台縣東南），秦嘉回軍交戰一日，戰死，部下投降項梁。景駒逃走後死於魏國境內。項梁兼並了秦嘉的軍隊，駐紮在胡陵，將要率兵向西出擊。這時，章邯率秦軍到達栗（今河南夏邑縣），項梁另派將領朱雞石、餘樊君與秦軍交戰。餘樊君戰死，朱雞石兵敗逃往胡陵。項梁率軍入薛（今山東滕縣南），誅殺朱雞石。項梁在此以前另派項羽進攻襄城（今河南襄城縣），秦軍堅守，攻克後活埋全部秦軍，回來後向項梁彙報。項梁得知陳王已死的確切消息後，召諸將到薛縣議事。這時沛公早已在沛縣起兵，趕來參加會議。
居剿（今安徽巢縣西南）人範增，年已七十，平素居於家中，好出奇計，前往遊說項梁：“陳勝失敗是必然的。秦滅六國，楚國最無過錯。楚懷王受欺騙入秦，被秦王扣留，客死於秦國，楚人至今仍在懷念他。所以楚國的南公說：‘楚雖三戶，亡秦必楚’。今陳勝首倡起義，不立楚王的後代而自立為王，其勢力不可能久長。如今您起兵於江東，楚地蜂擁而起的將領都爭相歸附於您，就是因為您家世代都是楚國的將領，認為您能立楚王的後代為王。”
項梁認為範增言之有理，便在民間找到楚懷王的孫子熊心，其人當時正在牧羊，被立為楚懷王，為的是順從民眾的願望。陳嬰任楚國上柱國，賜封五縣。項梁與楚懷王都於盱台（今江蘇盱台縣東北）。項梁自號為武信君。
項梁在盱台停留數月，領兵進攻亢父（今山東濟寧市南），與齊國的田榮、司馬龍且的軍隊救援東阿（今山東省東阿縣西南的阿城鎮），於東阿大破秦軍。田榮當即引兵而歸，驅逐齊王田假，田假逃往楚國。田假的丞相田角逃往趙國。田角的弟弟田間原為齊國的將軍，居於趙國而不敢回去。田榮立田儋的兒子田襳為齊王。項梁既已擊破東阿一帶的秦軍，乘勝追擊，並多次派出使者催促齊國出兵，共同向西進軍。田榮回答說：“楚國殺死田假，趙國殺死田角、田間，我才能出兵。”項梁說：“田假是楚國盟國的國王，窮困時投奔於我，不忍心殺害他。”趙國也不肯拿殺田角、田間來同齊國做交易。齊王田榮終於不肯發兵助楚攻秦。項梁派沛公及項羽從另一路攻打城陽，攻奪後屠殺全城。再向西進，在濮陽東破秦軍，秦軍撤入濮陽。項羽、沛公攻定陶（今山東定陶縣西北），未能攻下，向西攻占城地，到達雍丘，大破秦軍，斬秦三川郡郡守李由。回軍進攻外黃，未能攻下。
項梁自東阿起兵西進，待到達定陶時再度大破秦軍，項羽又斬殺李由，愈發輕視秦軍，麵有驕色。原楚國令尹宋義向項梁勸諫說：“作戰獲勝而將領驕傲、士卒怠惰者，必定失敗。如今士兵有些怠惰了，而秦兵日益增加，我很為您擔心啊。”項梁不聽，派宋義出使齊國。途中，宋義路遇齊國使者高陵君，對他說：“您想要見武信君？”“是的。”高陵君回答說。宋義說：“我認定武信君必敗，您慢去可免於一死；快去將遭受禍殃。”秦果然向章邯增兵，章邯率大軍攻擊楚軍，大破楚軍於定陶，項梁戰死。項羽、沛公去外黃攻陳留，未能攻下，二人相互謀劃說：“今項梁軍被擊破，士卒恐懼。”便與呂臣的軍隊一道向東撤退。呂臣駐軍於彭城東，項羽駐軍於彭城西，沛公駐軍於碭（今安徽碭山縣南）。
章邯於定陶大破楚軍後，率秦軍渡過黃河，攻擊河北的各路義軍。
楚懷王因楚軍大敗於定陶、項梁戰死而恐懼，從盱台遷都於彭城（今江蘇徐州市），將呂臣、項羽所統率的部隊劃歸自己親自統領，任命呂臣為司徒，以呂臣的父親呂青為令尹。任命沛公為碭君長，封為武安侯，統率碭郡士兵。
在項羽對所部兵馬的指揮權被楚懷王剝奪以前，那個宋義在半路上遇到的齊國使者來到了楚國，他告訴楚懷王宋義在項梁作戰之前，就斷定項梁一定會失敗，因此可以看出宋義對兵法很精通。於是楚懷王就把宋義召集過來，與他一起商量軍事大事，在交談之際，對宋義非常欣賞，於是就把宋義任命為上將軍。