刘邦一时沉醉于暂时的胜利，麻痹轻敌，对还在齐地烧杀的项羽未加戒备。结果，项羽得知刘邦占领彭城的消息，心急如焚，命令他的部将继续攻齐，他自己则率精兵3万回救彭城。项羽从鲁县（今山东曲阜）南下，出胡陵（今江苏沛县北），进至萧县（今江苏萧县西北）。
这天早晨，项羽从萧县向东进击，中午就攻下了彭城。刘邦毫无戒备，只得仓促应战，加以军心涣散，竟被打得溃不成军。项羽追至彭城的东北，汉军为了找一条活路，数十万人的队伍纷纷跳入谷、泗二水逃命，以至死者十余万人之多。向西南撤退的汉军余部，也遭到楚军尾随追击，并在灵璧（今安徽濉溪西）东睢水上，被楚军拦截，又有10余万人跳入睢水逃亡。由于人多拥挤，汉军伤亡无数，以致睢水为之不流。
楚军以3万之众，围汉王三匝。刘邦突围无路，正在危急之时，突然天气骤变，刮起西北风。顿时，飞沙走石，木折屋掀，天昏地暗。楚军大乱。刘邦趁此机会，带着数十骑突出重围，逃之夭夭。
彭城之战是楚汉之争的第一次重大战役。项羽回师突袭，以少胜多；刘邦麻痹轻敌，几乎全军覆没。楚军乘胜追击，汉军不得不暂时退却。
楚军追击刘邦，并派人去沛县取其家室。最后，刘邦的家眷失散，他的父亲太公和妻子吕雉都在途中被楚军俘虏。项羽将他们置于军中，作为人质。刘邦的儿子刘盈及长女鲁元公主，幸亏在途中巧遇刘邦，并在夏侯婴保护下，才免于落入敌手。
刘邦自灵璧退至下邑（今安徽砀山），又徙军砀县，并经砀县退至虞县（今河南虞城北），沿途收集败逃的余部，大部分兵力已丧失殆尽。这时，各诸侯王见刘邦大败，也都纷纷背汉投楚。
这年的五月，刘邦退至荥阳，控制这个通往关中的军事重镇，以便阻止项羽西进。荥阳地势险要，交通便利，北有敖仓，是秦朝留下的关东最大的粮仓，可资利用；西有函谷关，是扼守关中的门户，可为汉军提供兵源和物资。因此刘邦退至荥阳、成皋一线，进可攻，退可守，这里成为刘邦转败为胜的必争之地。
刘邦在荥阳一面收集诸路散卒，筑甬道取敖仓积粟，以便与楚军对峙，一面由萧何“发关中老弱未傅者”（《汉书·高帝纪》），为前线补充大量的兵源。与此同时，韩信亦收兵前来会合，因此汉军的军威大振。
项羽自彭城西进，在荥阳南的京县（今河南荥阳南）、索亭（今河南荥阳西南）之间，与刘邦发生激战。楚军兵败之后，受阻于荥阳东，与汉军对峙。从此，楚汉之间的争夺战，就在荥阳、成皋一线展开。
然而，楚汉在荥阳、成皋一线对峙，楚强汉弱，汉军腹背受敌，形势对汉军不利。当时，在正面与汉军相抗的有项羽的主力，威胁较大；背面有章邯困守废丘，从后方威胁着汉军；西北面有司马欣、董翳、魏王豹相继背汉降楚，从北侧威胁汉军；而南面有楚将九江王英布，与项羽有矛盾，所以南侧属亟待争取的力量。刘邦当时可利用的力量，只有占据齐地与项羽对抗的田横，还有活动于楚军腹心地带的彭越。
为了扭转这种被动局面，刘邦曾经问过群臣：“我想拿出关东地区，谁能破楚立功，就把关东分封给他，谁有这个能力呢？”张良回答说：
“九江王英布是楚的枭将，跟项羽有矛盾，彭越跟齐王正在梁地反项羽，这两个人都可以利用。汉王手下的将领，只有韩信可以托付大事，让他独当一面。如果要平分关东，只要分给这三人，项羽就可以被打败了，”
张良根据当时的形势，并针对各人的特点，提出英布、彭越、韩信三人可以破楚，实际上为刘邦提出了一条重要的战略方针。这就是：争取英布背楚归汉，以削弱楚军而壮大汉军的力量，同时解除汉军南翼的压力；利用彭越继续反楚于梁地，在楚军心腹之地游动作战，以牵制和分散项羽的兵力，减少汉军正面的威胁，造成两面夹攻的局面；至于韩信则可派他北攻魏、赵等地，解除北翼的威胁，以孤立项羽。
刘邦与张良的谋略既定，就重新部署必要的力量，开始实施这项破楚的计划。
名家回眸
项羽本意是在灭了田氏兄弟之后，再举兵西进，迎战刘邦，不料他的如意算盘却被刘邦率先打破。汉高帝二年（前205年）三月，刘邦乘项羽北伐田荣之机，抢先率军自河内南渡平阴津（今河南孟津北），东伐项羽。
连破魏赵 孤立楚军
刘邦首先派郦食其劝说魏王豹归降。本来，魏王豹降汉之后，曾经东伐项羽。后来刘邦败于彭城，魏王豹见大势已去，便以“归视亲疾”为名，告假回到平阳（今山西临汾西南），不久就绝断河津渡口，宣布背汉投楚。刘邦为了解除北侧的威胁，派郦食其劝说魏王豹归附，不料魏王豹拒降。
劝降不成，只好用兵。这年八月，刘邦任命韩信为左丞相，与灌婴、曹参等人攻打魏王豹。两军在蒲坂（今山西永济西）与临晋（今陕西大荔东）之间隔河相望。
魏王豹在河东的蒲坂部署重兵，企图恃黄河天险，阻止汉军从河西的临晋渡河。韩信则巧设疑阵，以声东击西的战术，迷惑魏王豹。他在临晋一带佯设大量兵力，陈列许多渡船，摆出要在临晋强渡黄河的架势。同时，又在北部的夏阳（今陕西韩城西南）埋伏重兵，制造大量的木瓮，用绳索连接起来，作为渡河的工具。当魏王豹还在蒲坂无忧无虑的时候，汉军却出其不意地渡过黄河，奇袭魏城安邑（今山西夏县西北）。魏王豹闻讯，不禁大吃一惊，急忙引兵迎战，却被韩信打得大败。九月，韩信攻占魏地，将俘获的魏王豹送往荥阳，并在魏地设河东、上党、太原三郡。
韩信平定魏地之后，派人回到荥阳，请求给他3万兵力，准备北攻燕、赵，再东击齐地，以便切断楚军的粮道，与荥阳的汉军主力配合，形成对楚军的钳形攻势，最后孤立并消灭楚军。刘邦采纳这个建议，并派遣熟悉燕、赵的张耳跟韩信一起，引兵北向击赵、代。
韩信首先攻取代国。当时，陈馀是名誉上的代王，因为他长期留守赵地，辅助赵王歇治理赵国，代国一直由相国夏说代理。刘邦在彭城大败之后，赵王歇与陈馀都背汉降楚，成为刘邦侧翼的威胁。公元前205年闰九月，韩信将兵进攻代国，在阏与（今山西和顺）一举击破代兵，擒获代相夏说。韩信下魏破代之后，刘邦将他的精兵调到荥阳，以加强汉军与楚军的对抗。
公元前205年10月，韩信与张耳率兵东向，进攻与代毗邻的赵国。赵王歇与陈馀闻讯，立即在井陉口（今河北井陉西北）屯兵20万，企图阻止汉军东进。
井陉口地势险要，关隘狭窄，历来为兵家必争之地。赵国的谋臣李左车认为，汉将韩信过黄河，俘虏魏王豹，血战阏与，擒获夏说，如今在张耳协助下，汉军士气旺盛，其锋锐不可当。于是，他建议利用井陉口有利的险要条件，出奇兵战胜汉军。他说：井陉口道路狭窄，汉军长途行军，粮草一定还在大军后面，希望给我3万精兵，从小道绝断他们的辎重，赵军深沟高垒，坚营固守，不与汉军进行决战，使汉军进则欲战不能，退则没有归路，在荒凉山野得不到任何接济，用不了10天，就可将韩信、张耳的头送到赵王的面前。
李左车的作战方案切实可行，但是却遭到了陈馀的反对。陈馀声称不能用诈谋奇计，竟以兵法“十则围之，倍则战”为根据，认为韩信号称数万，其实不过数千人，他们从千里以外来进攻赵国，士兵早已疲惫不堪，我们如果避而不打，将来再有更强大的敌人，又该怎么对付它呢！诸侯就会说我们胆怯，轻视我们，并发兵进攻我们。因此，陈馀拒不采纳李左车的建议，李左车的作战方案无法实施。
韩信探知这一情况，心里十分高兴，命令汉军开到离井陉口30里的地方驻扎下来。到夜半更深时分，韩信从汉军中精选轻骑2000人，每人手持一面红旗，命令他们从小道绕到山上隐蔽起来，监视着赵军的动静。韩信嘱咐士兵说：“赵军只要见我军撤退，必定会倾巢出动，追击我军。
到那时，你们就乘虚迅速进入赵军营垒，拔掉赵军的旗帜，插上汉军的红旗。”
接着，韩信又派遣一支万人的队伍，作为先遣部队，开出井陉口，背靠绵蔓水，摆成背水的阵势。韩信对先遣部队的将领说：“赵军已经先占据有利的地形，并且修筑了营垒，他们不见我军主力大将的旗鼓，一定不会攻打你们先头部队，因为他们担心一旦攻打你们，我军的主力部队就会向后撤退。”正如韩信所见，赵军不但没有攻击这支汉军，反而讥笑汉军背水列阵，将自己置于无路可退的死地。
天刚刚亮，韩信率领汉军人马，竖起汉大将旗号，擂响雄壮战鼓，一路杀出井陉口。赵将陈馀立即命令士卒出击，双方进行了长时间的激战。
当两军正打得难解难分的时候，只见韩信、张耳丢旗弃鼓，佯装战败，带着汉军主力朝绵蔓水方向撤退。这时，赵军营垒的士卒全部出动，一面争抢汉军的旗鼓，一面追击韩信和张耳。韩信、张耳与背水列阵的1万先遣部队会合后，再次与赵军展开一场殊死的激战。汉军由于背水作战，前有20万赵军的追杀，后是水深流急的绵蔓水，出路只有一条：与其后退淹死在水中，不如向前拼死求活路。因此，汉军将士勇猛非凡，与赵军展开了拼死战，使赵军无法取胜。
当赵军倾巢出击、营垒空虚的时候，预先埋伏的2000汉军轻骑兵，立刻乘虚冲入赵军营垒，拔掉赵军全部的旗帜，插上2000面汉军的红旗。经过几个回合的厮杀，赵军眼看不能取胜，也无法俘获韩信等人，正想撤回营垒，不料自己的营垒已经全部插上汉军的红旗，他们不禁大惊失色，以为赵王及将领都被汉军俘虏，顿时军心慌乱，争相逃亡。尽管赵将杀了一些逃跑的士兵，然而已经无法收拾溃散的局面。于是，汉军两面夹攻，赵军全线溃败，陈馀被杀于泜水上，赵王歇成了汉军的俘虏。
赵国谋臣李左车，受到了韩信特殊的保护。早在汉、赵两军激战之时，韩信即已传令军中，不准加害李左车，能生擒他的将赏给重金。这是因为韩信对李左车的才智格外赏识。战斗刚刚结束，李左车果然被送到韩信面前，韩信亲自为他解缚，待之以师长之礼，并向他请教攻燕伐齐的策略。
李左车不负所望，对汉军及燕国双方的情况，进行了全面的分析。李左车认为，汉军英勇善战，连克魏、代、赵，这是它的长处。然而，汉军远征久战，疲惫不堪，以疲倦之师攻打坚固的燕城，恐怕很难短期取胜。
这样，汉军的弱点就容易暴露，而且粮草供应也必然乏竭。而汉军征服不了弱小的燕国，则齐国势必倾力抵抗。如果燕、齐久攻不下，楚汉的胜负就难见分晓了，这是汉军的弱点。根据这一分析，李左车建议说：如今不如先解甲休兵，稳定赵国，抚恤百姓，犒赏将士，然后陈兵燕国边境，并派人去燕国劝降。燕国迫于汉军的声威不敢不听。燕国归顺了，齐必闻风而服。
韩信采纳李左车的意见，燕国果然不战而降。于是，韩信派人请求刘邦立张耳为赵王，以便镇抚赵国。刘邦同意照办。
韩信出奇制胜，接连夺取魏、代、赵、燕诸国，解除了汉军北翼的压力，使项羽越发孤立，也支援了刘邦在荥阳、成皋一线与项羽的对抗。
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王立群对韩信如此评价：汉代的韩信是立了赫赫战功却死于皇帝之手的人，原因在于他只琢磨事，不琢磨人。韩信熟谙兵法，自言用兵“多多益善”，一生无一败绩，天下莫敢与之相争。然其政治上犯了严重错误，几次关键时刻都优柔寡断，得罪高祖，最终死于妇人之手。
英布归汉：汉军南翼威胁的解除
与韩信北伐魏、赵同时，刘邦根据张良的建议，立即派人南下游说英布，以便进一步孤立项羽。然而，刘邦派往九江的使臣，却在六县（今安徽六安）被供养起来，一连三天，英布都不肯见他们。这位使臣就是刘邦的谒者随何。
刘邦在彭城大败之后，从下邑（今河南砀山）移军砀县，不久又退到虞县（今河南虞城北）。于是，刘邦对着部属说道：“谁能为我出使淮南，让英布发兵攻打楚军？”又说：只要他在齐国再拖住项羽几个月，我夺取天下就没有问题了。
刘邦如此重视英布，事情并非偶然。原来，英布自从投奔项梁之后，一直是楚军一位猛将。项梁死后，他成了项羽手下的一名将领，常常跟随项羽冲锋陷阵，出生入死。项羽率军北上救赵，英布被任命为将军。他几次击败秦军，是巨鹿之战的有功之臣。英布骁勇善战，常常以少胜多，为楚军争得了声誉。项羽在新安坑杀20万秦军的降卒，英布就是具体执行者之一。秦王朝灭亡后，项羽率军西进关中，刘邦派兵扼守函谷关，企图拒项羽军于关外，还是英布率先从小道破关而入。所以，项羽分封诸侯，英布战功赫赫，被封为九江王。直到公元前206年八月，英布还根据项羽的密令，派人击杀楚怀王于郴县。英布对于项羽，可谓言听计从，也确实立了不少战功。但是，到了田荣起兵，项羽北上攻齐，命令英布派兵支援，英布却托病未行，最后只派4000人去应付。刘邦攻占彭城，项羽急如星火，英布又借故有病，不肯出兵帮助。从此项羽恨之，几次派人责备英布，还让英布去见他。英布深惧项羽，不敢前往。因为当时诸侯纷纷起兵，项羽忙于对付，想利用英布的力量，才没有进行军事报复。刘邦想利用英布与项羽的矛盾，因此在彭城战败之后，决定联合英布，共同对付项羽。
随何知道刘邦的意图，便自告奋勇，表示愿意出使淮南。公元前205年四月，刘邦派了20个人，跟随何一起南下。
随何到了六县，英布让主管膳食的太宰招待他们，却不肯跟随何见面。三天过去了，随何无可奈何，只好先说服太宰，请他帮忙求见英布。
英布果然被说动了。见面时，随何开门见山，劈头就提出他与项羽的关系。英布毫不犹豫，宣称自己是楚王的臣子。英布言不由衷，随何心中有数。他说：“大王与楚王同是诸侯，却自称是楚王的臣下，无疑认定楚国强大可以‘托国’。”接着，随何列举他们之间的矛盾，指出项羽北上攻齐，英布只派4000人支援，这哪像为人臣子。刘邦攻取彭城，项羽还在齐地，英布本应出兵与项羽会战彭城，但是英布坐山观虎斗，竟不动一兵一卒，也不像为人臣子的样子呀！最后随何一语道破：英布不过名誉上向楚称臣，实际上想发展自己的势力，他现在不背楚是因为汉弱的缘故。
为了劝说英布归附刘邦，随何分析了楚汉战争的形势。他认为项羽背盟约，杀义帝，负有不义之名。且楚军深入敌国八九百里，战线很长，以致老弱转输粮草于千里之外，士兵疲于奔命。汉王守成皋、荥阳一带，取用蜀、汉之粟，深沟壁垒，分兵防守边塞。所以，只要汉军坚守不动，楚军进退两难，形势对汉军有利。随何又故作姿态，对英布心甘情愿托身于危亡的西楚表示大惑不解。又说：“只要大王发兵背楚，将楚王再拖住几个月，汉军就可以夺取天下了。大王归附了汉王，一定会得到裂地封王，九江还是属于大王所有。”经过随何的劝说，英布私下答应背楚归汉。
当时，项羽的使臣也在九江，住在客舍里，正催着英布发兵助楚。随何见此情景，便直闯客舍，责问项羽的使臣说：“九江王已经归附汉王，你们凭什么让他发兵？”随何见机行事，搞得英布骑虎难下，目瞪口呆。