秦軍統帥章邯，認為楚軍已無所作為，於是率軍北渡黃河，進攻割據一方的趙國，兵圍趙都邯鄲。趙王趙歇、趙相張耳、大將陳餘，一麵分兵苦守，一麵向各地義軍求援。楚懷王集團決定分兵兩路：一路北援趙國，以善談兵略的宋義為上將軍，以新封魯公項羽為次將軍，以範增為末將；一路西征關中，以沛公劉邦為將。援趙軍隊是主力，集中了精兵良將，且加封宋義為“卿子冠軍”，賦予總領各部楚軍的實權。西征軍則為偏師。戰略意圖在於相互配合，牽製秦軍，使其首尾難以呼應。為了激勵分兵作戰的將士，楚懷王還與諸將約定：“先入關中者，王之。”關中是秦的腹心地區，當時是富甲天下的“天府之國”，又被視為政治樞紐之地，這一垂餌，對擁兵將帥來說，頗具誘惑力量。它也就為後來的“鴻門宴”和楚漢之爭，埋下了伏筆。
宋義率主力軍援趙，行至安陽，駐兵四十六日，項羽入帳，建議應當迅速進兵，與趙軍裏應外合，擊敗秦軍。不料，宋義卻準備坐山觀虎鬥，讓秦趙兩軍惡戰，自己坐收漁人之利，又以譏諷的口吻說道：“衝鋒陷陣，我不如公；安坐籌劃軍計，公不如我。”宋義又下令全軍：“猛如虎，很(倔強)如羊，貪如狼，強不可使者，皆斬之。”這裏顯然是暗指項羽。項羽一怒之下，借清晨拜見主將之機，在帳中立斬宋義，以其首級傳示軍營，諸將懼而從命。楚懷王在既成事實麵前，隻得任命項羽為上將軍。項羽殺將奪軍，充分顯示了他的果斷勇毅，已是威震楚國，名聞諸侯。
項羽命令驍將當陽君英布等人，率兵二萬為先鋒，強行渡河，馳援巨鹿守軍，隨即親率全軍將士渡河北進。為了激勵將士殊死搏戰，他在渡過黃河之後，下令破釜沉舟，僅帶三日軍糧。全軍將士深知，此戰決無後路可退，他們以有進無退的氣勢，向著秦軍大營，發起了進攻。圍困巨鹿的秦軍，由王離、蘇角、涉間三位將軍統率，這支軍隊本來駐守在北部邊界，備禦匈奴，戰鬥力極強。內地兵起，秦二世調動這支邊防軍平亂，所到之處，戰無不勝。此次趙都被困，前來援救的諸侯軍隊雖多，卻無人敢向秦軍挑戰。他們隻是站在軍營壁壘之上，觀看項羽所率楚軍與秦兵的龍爭虎鬥。楚軍將士無不以一當十，殺聲連天，如同怒濤翻滾，衝垮了秦軍的一道道防線，擊敗了秦軍的一次次反撲，一日之間，惡戰九場，直殺得屍骨遍野，殘陽泣血。秦軍主將王離被俘，蘇角被殺，涉間自焚而死，這支能征慣戰的秦主力軍隊，一日覆亡！被圍困多日的巨鹿城一戰解圍！空前的惡戰結束了，觀戰各國將士對項羽和楚軍的神勇，無不恐懼失色，項羽召見的各軍將領，行至項羽軍帳轅門，無不膝行而前，莫敢仰視。項羽經巨鹿之戰，被東方各國將士推尊為“上將軍”，取得了指揮東方義軍的資格。
秦軍統帥章邯所率的軍隊，隨後亦被項羽連連擊敗。在內外交困之中，他率領二十萬殘軍投降了項羽。至此，有戰鬥力的秦軍，均被項羽所消滅。項羽為推翻暴秦統治，作出了不可磨滅的貢獻。
就在項羽在河北與秦軍浴血奮戰之時，沛公劉邦所率的西征軍，繞道武關，進入了關中。兵力空虛的秦王朝，已麵臨滅頂之災。
劉沛西征，並未經過苦戰，甚至沒有打過一場像樣的硬仗。遇到敵人據城守禦，劉邦就命令部眾繞城而行，他要保存兵力，爭取先入關中。如兵過南陽郡時，秦郡守退守宛城，劉邦即率軍避宛城而西進。作客劉邦軍中的張良加以諫阻：“沛公雖然急欲入關，但秦軍兵力仍為數眾多，據險防守，恐怕難以僥幸取勝。現在如不攻克宛城，繞道而行，宛城敵軍尾追於後，關中秦軍阻擊於前，這是用兵的大忌。”劉邦幡然醒悟，領兵複回，夜圍宛城。南陽郡守的舍人陳恢，出見劉邦，分析利害：“我聽說足下與人有約，先入關中者即可為王。現在足下如果圍宛攻城，必定不利，宛是大郡治所所在地，城池堅固，戶口眾多，積蓄豐富，守城吏民自以為歸降必死，所以會拚死抵禦，足下用兵強攻，部下死傷必多；如果領兵繞行，宛城守軍必跟蹤追擊。如此，對足下極為不利：前有強敵守禦，恐失先入關中、封王鹹陽的約定；後麵又有宛城強敵追擊之患。替足下籌劃良計，莫若招降守軍，封南陽郡守以官爵，使他照舊守禦地方，抽調他部下軍隊隨足下西征。前方據城自守者，得知宛城約降的信息，必定會爭相開城而待大軍，足下可以通行無阻。”劉邦采納了他的建議，果然兵不血刃，連下數城，招降納叛，收容散兵遊勇，兵力不斷壯大。