漢王四年十月，因為司馬曹咎違背了項羽的囑托，對漢軍進行多次挑釁，並多次與漢軍在汜水進行交戰，在渡水的半路受到了早就埋伏好的漢軍的攻擊。漢軍因此大勝並繳獲了豐富的金銀財寶以及很多的軍事物資，曹咎和長史司馬欣在汜水這塊傷心地結束了自己的性命。得知曹咎兵敗之後，項羽率領大軍急忙趕回。這時候漢軍正在滎陽東對鍾離昧進行圍攻，當項羽率領大軍達到的時候，因為對楚軍還是有所畏懼，漢軍就全部轉移到了險要地帶。
項羽聞知龍且所率軍隊被擊潰，派武涉勸說韓信叛漢，韓信不聽。項羽駐軍於廣武，與漢軍相持數月，楚軍缺少糧食，項羽以此為憂患。於是，項羽設置砧板，將漢王的父親太公置於板上，警告漢王說：“今日不快快降服，我煮死太公！”
漢王回答說：“我與你項羽一同北麵受命於懷王，約結為兄弟，我的父親就是你的父親，你一定要烹殺你的父親，請分給我一杯肉湯。”
項王大怒，想要殺太公。項伯勸阻說：“天下大事，誰勝誰負尚未可知，況且為著奪取天下的人，都不顧戀家人，即或是殺了太公也不會帶來什麼好處，隻能是增加禍害而已！”項王聽取了項伯的意見，沒有殺害太公。
項王對漢王說：“天下擾亂已有數年之久，隻是因為我們兩個人而已，願與漢王挑戰，決一雌雄，不要使天下百姓白白為此而受苦了！”
漢王笑著回答說：“我寧願鬥智，不能鬥力。”
項王再三令壯士出營挑戰，都被漢軍中的著名射手樓煩射殺。項王為此而大怒，親自披帶盔甲，持戟出營挑戰，樓煩想要射殺項羽，項羽瞪圓雙眼，怒叱樓煩，樓煩在項羽神威的逼迫之下，目不敢正視，手不敢發箭，嚇得退回營壘，不敢再出麵射箭。漢王派人打聽楚軍出陣者是何人，得知此人便是項王，大為驚恐。
項王約漢王在廣武兩軍壁壘之間隔陣對話，項王再次想要與漢王獨身挑戰，漢王曆數項羽的罪惡：
“你項羽違背規約，封我為蜀漢王，這是罪一；你項羽假冒懷王命令，殺害卿子冠軍宋義，自尊為上將軍，這是罪二；你項羽奉命救趙後，理應回報懷王，但卻擅自劫持諸侯軍隊八關，這是罪三：懷王約定入關後不許燒殺掠奪，你項羽卻焚燒秦宮室，發掘始皇帝塚，私自盜取其中財物，這是罪四；你項羽無理地殺死已經投降的秦王子嬰，這是罪五；你項羽於新安用欺騙手段活埋20萬秦兵。封秦軍降將為王，這是罪六；你項羽把好的土地封給諸侯王手下的將領，遷徙驅逐原來的諸侯王，使得他們的臣下爭相反叛，這是罪七：你項羽把義帝從彭城趕出，自己卻建都於此，又侵奪韓王的封地。兼並魏、楚的土地，擴大自己的地盤，這是罪八：你項羽派人殺義帝於江南，這是罪九；你項羽身為人臣而謀殺君主，殺害已經歸降的人。執政不公，信約不守，大逆不道，實為天下所不容，這是罪十。我率領正義的軍隊跟諸侯一道討伐你這個殘暴的賊子，隻需使用受過刑罰的囚犯打死你這個項羽就行了，老子何苦跟你挑戰！”
項羽聽漢王聲討他的罪狀，大怒，用暗箭射中漢王的胸部。為安定軍心，漢王機智按著腳說道：“這個賊子射中了我的腳趾頭！”漢王受傷後，張良請他忍著傷痛去巡視軍營，慰勞士兵，穩定軍心，不使楚軍乘機取勝。漢王帶傷巡視兵營，使傷勢加重，因而急馳進入成皋城內。
漢王病愈，西入關中，到達都城櫟陽，慰問父老，僅停留4日，又啟程回到前線，駐軍於廣武。這時，關中增援的士兵，不斷地出關開赴前線。
七月，立黥布為淮南王。
漢王下令：軍士有不幸而死的，官吏要以衣衾棺木盛斂，轉送回家，因此四方百姓歸心於漢王。
當時，彭越率領軍隊在魏地往來遊擊，騷擾楚軍，斷絕楚軍的糧食供應。田橫也前來依附彭越。項羽不得不經常對付彭越的襲擊，齊王韓信又前來進攻楚軍，項羽因此而恐懼。漢派侯公向項羽說，請歸還太公。項羽便與漢王談判約定，以鴻溝中分天下：鴻溝以西歸漢，鴻溝以東歸楚。九月，楚歸還漢王的父親太公和漢王的妻子呂雉，漢軍軍中高呼萬歲。楚軍撤兵東歸。楚軍解圍東歸，漢王也想按和約西歸。這時，張良、陳平出麵向漢王勸諫說：“漢已經占有天下的大半，而且諸侯又都相繼歸附；楚軍士兵疲憊，軍糧已盡，這正是上天滅亡楚國的時機。如今放任他們東歸，不予攻擊，這可是人們所說的‘養虎自遺患’啊。”