汉王逃出荥阳进入关中，收集士兵准备再次东进。
袁生游说汉王说：“汉与楚在荥阳相持不下好几年，汉军常陷于水利的因境。希望汉王出武关，项羽一定率军南下，那时大王加高壁垒，不出战，让荥阳、成皋一带得以休息。派韩信等去安抚河北赵地，把燕国、齐国连结起来，那时大王再兵进荥阳也不晚。这样，楚军就要多方防备，力量分散，而汉军得到了休整，再跟楚军作战，打败楚军，就确定无疑了。”
汉王听从了他的计策，出兵于宛县、叶县之间，与黥布一路行进，一路收集人马。
项羽听说汉王在宛县，果然率军南下。汉王加固壁垒，不跟他交战。这时候，彭越渡过睢水，和项声、薛公在下邳（ｐī，江苏徐州睢宁县）交战，彭越大败楚军。于是项羽就率军东进去攻打彭越。
汉王同时也就率军北进，驻扎在成皋。
项羽打跑了彭越，听说汉王又驻进了成皋，就率军向西，攻下了荥阳，杀死了周苛、枞公、并且俘虏了韩王信，接着包围了成皋（河南荥阳）。
汉王逃走，只和滕公共乘一车从成皋北面的玉门逃去，往北渡过黄河，驱马跑到夜晚，留宿在修武（河南焦作修武县）。他自称是使者，在第二天清晨，冲入张耳，韩信的军营，夺了他们的军权。又派张耳往北到赵地去大量收集兵卒，派韩信东进攻打齐国。
汉王取得了韩信的军队，重新振作起来，率军南进临近了黄河，在小修武的南面犒劳部队，想要跟项羽再战，郎中郑忠劝阻汉王，让他加深壕沟，增高壁垒坚守，不要跟楚军作战。汉王听从了他的计谋，派卢绾、刘贾率兵二万人，骑兵数百名，渡过白马津，进入楚地，跟彭越的军队一起在燕县（河南延津县）西面再次打败了楚军, 接着又攻下了梁地的十多座城池。
淮阴侯韩信已受命东进，还没有渡过平原津。这时，汉王却暗中派郦食其前去游说齐王田广，田广叛楚，与汉和好，共同进攻项羽。
韩信见此，本想停止攻齐，蒯（ｋｕǎｉ）通（这哥们一直都劝韩信反啊，真是持之以恒啊）劝他还是要攻下齐国，于是听了蒯通的主意，袭击并打攻了齐军。齐王用大鼎把郦食其（好惨啊，下线了）煮死，向东逃到高密（山东潍坊）。
项羽听说韩信已率河北军攻占了齐国、赵国，将要进攻楚国，就派龙且、周兰前去打韩信。韩信跟他们交战，骑将灌婴出击，大败楚军，杀了龙且。
齐王田广奔往彭城。
这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。
四年（前203），项羽对海春侯大司马曹咎说：“你们谨慎地守住成皋。如果汉军挑战，千万不要应战，只要别让他们东进就可以了。我在十五天之内一定能平定梁地，回头再跟将军们会合。”
便率兵去攻打陈留、外黄、睢阳，都攻下来了。
汉军果然多次向楚军挑战，楚军都不出来，汉军派人辱骂他们，接连五六天，曹咎气愤之极，领兵横渡汜水。士兵刚刚渡这一半，汉军出击，大败楚军，缴获了楚国的全部金玉财物。
大司马曹咎、长史司马欣都在汜水上自刎了。
项羽到达睢阳，听说海春侯被打败，就率军赶回来。汉军这时把钟离眛（mèi）围困在荥阳东面,项羽到来,汉兵已全部跑到深山险阻地带去了。
韩信攻下齐国后。派人去对汉王说:“齐国和楚国临界，我的权力太小，如果不立个代理之王，恐怕不能安定齐地。”
汉王想去攻打韩信，留侯张良说：“不如趁此机会立他为齐王，让他自己为自己守住齐地。”
于是汉王派张良带着王印到齐国封韩信为齐王。
项羽听说龙且的军队被打败，就害怕了，派盱台人武涉去游说韩信反汉。
韩信没有同意。
楚汉两军相持很久，胜负未决，年轻人厌倦了长期的行军作战，老弱者由于运送粮饷疲备不堪。
汉王和项羽隔着广武涧对话。
项羽要跟汉王单独决一雌雄，汉王则一项一项地列举项羽的罪状说：“当初我和你项羽一同受怀王之命，说定了先入关中者在关中为王，你项羽违背了约定，让我在蜀汉为王，这是你的第一条罪状。你项羽假托怀王之命，杀了卿子冠军宋义，而自任上将军，这是你的第二条罪状，你项羽奉命援救了赵国，本应当回报怀王，而你项羽却擅自劫持诸侯的军队入关，这是你的第三条罪状。怀王当初约定入关后不准烧杀掳掠，你却焚毁秦朝宫室，挖了始皇帝坟墓，私自收取秦地的财物，这是你的第四条罪状。你硬是杀掉已经投降的秦王子婴，这是你的第五条罪状。你采用欺诈手段在新安活埋了二十万秦兵，却封赏他们的降将，这是你的第六条罪状。你项羽把各诸侯的将领都封在好地方，却迁移赶走原来的诸侯王田市、赵歇、韩广等，使得他们的臣下为争王位而反叛，这是你的第七条罪状。你项羽把义帝赶出彭城，自己却在那里建都，又侵夺韩王的地盘，把梁、楚之地并在一起据为已有，这是你的第八条罪状。你项羽派人在江南秘密地杀了义帝，这是你的第九条罪状。你为人臣子却谋杀君主，杀害已经投降之人，你为政不公，不守信约，不容于天下，大逆不道，这是你的第十条罪状。如今我率领义兵和诸侯们来讨你这个残害人的罪人，只让那些受过刑的罪犯就可以掉你项羽，又何必劳累我来跟你挑战呢？”
项羽十分恼怒，埋伏好的带机关的箭射中了汉王。汉王伤的是胸部，却按着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾！”
汉王因受箭伤而病倒了，张良硬是请他起来出去巡行，慰劳部队，以便稳定军心，不让楚军占胜利的威势压过汉军。
汉王出去巡视军营，病情加重，立即赶回了成皋。
汉王病愈后，西行入关，来到栎阳，慰问当地父老，摆设酒席，杀了原塞王司马欣，把他的头悬挂在木杆上示众。汉王在栎阳停留了四天，又回到军中，部队驻扎在广武。这时候，关中的军队出关参战的也增多了。
这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。田横前往梁地依附他。
项羽多次攻击彭越等人，齐王韩信又进兵攻打楚军，项羽害怕了，就跟汉王约定，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽送回了汉王的家属，汉军官兵都呼喊万岁，然后项羽回营别去。
项羽罢兵回东方了，汉王也想率军回西方。但汉王采用张良、陈平的计策，乘楚军兵疲粮尽，索性就消灭它，于是进兵追赶项羽，到阳夏南面让部队驻扎下来，和齐王韩信，建成侯彭越约定日期会合，共同攻击楚军。
汉王到达固陵，韩信、彭越却没有来会合。
楚军迎击汉军，把汉军打得大败。汉王又逃回营垒，深挖壕堑固守。
又采用张良的计策派使者封给韩信、彭越土地，使他们各自为战，于是韩信、彭越（哥俩好啊，难怪不得最后都被嘎了）都来会合了。
黥布和刘贾进入楚地，围攻寿春，汉王却在固陵打了败仗，于是派人去召大司马周殷，让他出动九江军队击迎会武王黥布，行军途中屠戮了城父（ｆǔ）, 然后随刘贾、齐、梁诸侯的军队在垓下大会师。汉王封武王黥布为淮南王。
五年（前202），高祖和诸侯军共同进攻楚军，与项羽在垓下决战。
淮阴侯韩信率领三十万大军与楚军正面对阵，他的部将孔将军在左边，费将军在右边，汉王领兵随后，绛侯周勃、柴将军跟在汉王的后面，项羽的军队大约有十万。
淮阴侯首先跟楚军交锋，不利，向后退却。孔将军、费将军从左右两边纵兵攻上去，楚军不利，淮阴侯乘势再次攻上去，大败楚军于垓下。
项羽的士兵听到汉军唱起了楚地的歌，以为汉军已经完全占领了楚地，项羽战败逃走，楚军因此全部崩溃。
汉王派骑将灌婴追杀项羽，一直追到东成，杀了八万楚兵，终于攻占平定了楚地。只有鲁县人还为项羽坚守，不肯降服，因为怀王当初封项羽为鲁公。汉王就率领诸侯军北上，把项羽的头给鲁县的父老们看，鲁人这才投降。
于是，汉王按照鲁公这一封号的礼仪，把项羽葬在穀城。然后回师定陶，驱马驰入齐王韩信的军营，夺了他的兵权。