项羽与齐国军阀田荣展开了战争。齐军士兵殊死搏斗，楚军陷入了持久战的被动局面，无法速战速决。这样，项羽就无暇顾及其他割据势力。
趁此时机，刘邦决定扩张自己的势力。汉军在韩信的指挥之下取得了辉煌的战果，平定了关中、河南的大片土地，魏、韩、殷的三个诸侯王也一一降伏了，汉王大军在关中的地位已经稳固，东进横扫顽敌、完成统一霸业的计划势在必行。
而刘邦的实力逐渐壮大了，但是随着实力越大刘邦就越想念自己的家人。此时，刘邦的妻儿和父亲都还在老家沛县。他多想把他们接到自己的身边啊！就在这个时候，一个好消息传来了，王陵来投靠刘邦了。原来王陵是刘邦的老乡，他们在沛县的时候就认识。秦末，各路诸侯起兵反秦的时候，王陵纠集了一支几千人的部队，攻下了南阳。从此，王陵就领兵驻扎在南阳，不隶属于任何诸侯。待到刘邦平定雍王章邯的部队，把章邯围困在废丘的时候。王陵见自己的老乡实力逐渐壮大，而且有称霸天下的野心，于是就投靠了刘邦。
刘邦立刻交给了王陵一个任务，就是到沛县把自己的妻儿和父亲接到关中。因为南阳离他们的老家沛县很近，而且王陵和刘邦是老乡，认识刘邦的父亲刘太公。
项羽听说刘邦派王陵到沛县去接家人，十分生气，他立刻派兵到阳夏（今河南省太康县）拦住了王陵。于是王陵不能继续东进，只好停了下来。即使这样项羽还是不放心，他杀了韩王成，并立刻封原来的吴中县令郑昌为新的韩王，去韩国驻守，以牵制刘邦。
张良本来是韩王成的丞相。他见项羽杀了韩王成，并封郑昌为新的韩王，心里很愤怒。于是，他日夜兼程，赶到了关中，再次投靠刘邦。刘邦见到张良，立刻热泪盈眶地迎了上去。他握住张良的手，激动地说：“你终于回来了！”
张良感动地说：“大王，我回来了，我一定帮助您称霸天下。”此时，“汉初三杰”在刘邦身边会合了。他们就是丞相萧何，谋臣张良和大将军韩信！刘邦后来之所以能够打败项羽，称霸天下，也多是这三个人的功劳。
公元前205年年初，就在项羽大战齐国之时，刘邦在大将军韩信的辅佐下，一路东进，攻城略地，打了很多胜仗。塞王司马欣、翟王董翳以及河南王纷纷望风而降。韩王郑昌原来是吴中的县令，是项羽的亲信，所以他不愿投降刘邦。刘邦见不能让郑昌心甘情愿地来投降，就派韩信带兵攻城。
原来的韩王成被项羽带到彭城杀害了，因此韩国的老百姓并不是十分拥护项羽。
韩王郑昌没有坚守多久，就被韩信打败了。从此，刘邦不但拥有除废丘之外所有的关中之地，而且还在关外占领了河南（今河南省大部、山西省南部、山东省西部等广大地区）的大部分地区。
汉军经过几番战斗，士兵们伤亡不多，士气有增无减。汉王刘邦首先致力于稳定在关中的统治，推行了一系列收服人心、恢复秩序、优待将士、健全行政体制的政策，稳定军心、振奋士气，使关中与巴蜀成为汉王进取天下的可靠根据地。
因为楚军主力主要随项羽伐齐，无法阻止汉军的前进。于是刘邦联络了齐国、赵国的部队，这样一共有五个诸侯国团结在以刘邦为首的反楚集团周围，兵力达到了五六十万之多，声势浩大，直指项羽的老巢——彭城。
三月，刘邦带着韩信等将领，从临晋（今陕西韩城）渡过黄河，攻打河东（今山西运城、临汾一带）、河内（今黄河以北地区）等地。西魏王魏豹早已听说刘邦的大将军韩信用兵如神，攻无不克，战无不胜，因而没有抵抗就带着军队投靠了刘邦。刘邦十分高兴，于是下令全力进攻河内。驻守河内的是殷王司马印，司马印虽然死战，但是怎敌兵多将广的刘邦呢！很快，刘邦俘虏了司马印，平定了河内，带兵驻守黄河北岸的修武（今河南省南阳市附近）。
几个月前，司马印因为违抗了项羽的命令。项羽大怒，派陈平率兵进攻他。司马印见陈平的大军压境而来，心里十分担忧，只好屈服，并且连连向项羽认罪！
刘邦攻下河内，俘虏了司马印的消息传到正在和田荣的弟弟田横打仗的项羽那里，项羽大怒。他说：“当初我要陈平去收服司马印，陈平说司马印对我忠心耿耿。既然对我忠心耿耿，为什么不和刘邦死战呢？”正在气头上的项羽把这一切怪罪到了陈平头上，产生了杀掉陈平的想法。
陈平闻知项羽要怪罪自己，生怕这个莽夫会杀掉自己，就在深夜的时候，从小路直奔黄河，渡过黄河投奔驻守在修武的刘邦去了。
不久，刘邦从平阴津渡过黄河，直奔洛阳而去。到了洛阳，董公遮来到刘邦的营帐，对他说：“大王，你知道义帝是怎么死的吗？”
刘邦闻听董公话中有话，就大惊道：“项羽不是说义帝在南迁的路上得了急症，不治身亡的吗？”
董公摇了摇头说：“那是项羽蒙蔽天下人的伎俩。其实义帝根本就没有得过什么急症，是项羽暗中派人杀了他。项羽为了蒙蔽天下人，就说义帝是得了急症，不治身亡的。”董公顿了顿，接着说：“大王为何不以为义帝报仇的名义东进伐楚呢？这样你的军队就成了正义的军队，天下的百姓都会支持你的。”
刘邦认为董公说得很有道理，就听取了他的意见。第二天，刘邦抓扯着自己的上衣哭得痛不欲生，以表现自己对义帝的爱戴，对义帝之死的痛心。他下令全军全部换上素服，为义帝发丧。在洛阳的郊外，汉兵们穿着素服整齐地排列着。刘邦站在队伍前，哭着对大家说：“项羽杀了义帝，我要为义帝发丧三日。”洛阳的老百姓见状，也都悲伤地痛哭起来。从此以后，刘邦大仁大义的形象在百姓中流传开来，人们更愿意支持刘邦伐楚了。
为义帝发丧三日之后，刘邦派使者通告天下的诸侯说：“秦亡以后，天下诸侯一起拥立了义帝，尊他为诸侯的皇帝。项羽竟然违背天下人的意愿和仁义道德，把义帝放逐郴县，而且还暗中派人杀了他。这是多么大逆不道的事情啊！我刘邦现在亲自为义帝发丧，请各位诸侯都穿上素服，一起为义帝守孝。然后，我要调遣关中和三河（今黄河、淮河、洛河）所有的兵力，联合江汉以下的诸侯讨伐杀死义帝的楚国人！有愿意跟随我一起讨伐大逆不道的项羽的，就一起起兵吧。”
之后，刘邦带领着五路诸侯的五十六万兵力，往东而去，准备攻打彭城。韩信见刘邦贸然进攻彭城，心里十分着急，他向刘邦提议道：“大王，现在攻打彭城的时机尚不成熟啊！”
但是刘邦此时因为连战告捷，心里十分得意，就对韩信说：“我从南郑出兵，一路打下来，攻无不克，战无不胜。现在我已经有了足够的兵力和项羽大战了，还怕什么呢！”
韩信还想阻止，但是他见刘邦心意已定，也不好再说什么了。四月，刘邦已经带着五十六万大军进入了彭城。刘邦本为自己已经进入项羽的都城，而项羽正在和齐兵厮杀，天下大势已定，自己已经可以称霸天下了。于是，刘邦就把彭城中的奇珍异宝和无数美女收归自己所有了。然后，他天天和部下在宫殿中饮酒庆祝。
刘邦沾沾自喜，饮酒作乐，毫无防备之心，却没有想到，项羽的主力部队并未受到打击，楚军精锐骑兵的机动作战能力，是不容低估的。刘邦一厢情愿地把攻占彭城等同于击败了项羽。因此，各路兵将在彭城及其周围地区，肆意抢掠财宝与美女，军纪荡然无存，全然忘记了英雄盖世的项羽。要知道，项羽是不会善罢甘休的，他会回来反击的。
项羽得知刘邦乘虚进占彭城，原本就气急败坏。又听说他的部队在彭城的所作所为，更是怒发冲冠。他立即果断地调整手下部分将领和大部分部队，下令部分手下继续围剿田横，自己率领精心挑选的约三万士兵，日夜兼程，千里回师，以闪电般的速度，火速回援彭城，向着得意忘形的刘邦部队，发起了致命的一击。楚汉之争的第一场大战，即将爆发。
项羽以三万士兵，对刘邦的五六十万大军，从兵力战斗力而言，处于绝对劣势。但项羽在用兵的战略上，采用围歼战而不是击溃战，这表现出项羽有胆识气魄和清醒的头脑。刘邦的军队虽然号称有五六十万，但诸侯是被迫参战的。他们无心恋战，军心涣散，战斗力参差不齐，只不过是一群乌合之众。其军事素质、实际作战能力无法与项羽的精锐骑兵相比。
当时项羽远道而来，不顾人困马乏，立即向刘邦军出击。刘邦等人没有想到项羽居然来得这么快这么猛，只能被迫草草准备，仓促应战。但刘邦的部队并没有一开始就溃散，而是从早上一直打到中午，这就说明刘邦也是通过苦战才取得胜利的，然而他的对手并不是等闲之辈。
项羽的三万部队从早晨开始攻击汉军，及至中午，将汉军打的全军溃散。汉军向泗水、谷水溃逃过程中，被项利部队斩杀的人数达十余万，可谓是伤亡惨重。另一部分汉军向南溃散，被项羽的部队追击到濉水。
因为诸侯们各怀鬼胎，导致军心不一。刘邦见指挥系统失灵，就带着身边部分将士匆匆撤退，刘邦的大军见项羽和他的士兵就像噩梦一样无法摆脱，都争先恐后地开始逃命。项羽指挥士兵拿着兵器冲杀过去。汉兵一边逃，他们一边杀，被杀死的汉兵足足有十万余人。泗水河里和谷中到处都是汉兵的尸体，他们的血把泗水河染红了，他们的尸体把山谷堆满了。
见到眼前的尸山血海，项羽和楚军们的斗志被彻底地激发出来了。他们不知疲惫地追杀着汉兵。刘邦又引着汉兵从山路往南逃去，楚军哪里肯放他们走，继续追击。这时，跟随刘邦从山路逃走的汉兵还有二三十万人。他们逃到灵璧东面的睢水边上，被阻断了去路。他们正要想办法继续逃命时，项羽已经带着三万精兵赶到了。刘邦无奈，只好指挥军队和项羽对抗，但是此时，汉兵哪里还有半点斗志！
项羽和楚军刚一纵马过来，汉兵便开始纷纷逃命去了。项羽带着他的士兵趁机掩杀，杀死了无数的汉兵。剩下的汉兵见状，更是没命地奔逃。项羽就指挥士兵们把他们往睢水里面赶。于是，汉兵纷纷跳入睢水。十余万汉兵就这样在睢水中丧命了。汉兵的尸体阻塞了睢水，睢河水都流不动了。刘邦身边的士兵越来越少了，眼看就要支撑不住了。此时项羽带着士兵将刘邦重重包围。楚军的包围圈足足有三层。刘邦看到这种现象，几乎都要绝望了。
就在这时，忽然一阵大风从西北角上刮来。大风刮得昏天暗地，树木被刮折了，房屋被掀翻了，沙石也被大风刮得满天飞，白昼瞬间变成了黑夜。在伸手不见五指的情况下，两军都不敢轻举妄动。而项羽的三万精兵都骑着马，马在大风中受了惊。于是，楚军大乱，马匹纷纷乱冲开去。刘邦见状，趁机和十余个侍从逃了出去。
刘邦从睢水河畔逃生以后，就从沛县往西逃亡，想顺便把自己的家人都接走。项羽见刘邦往沛县逃去，猜想他一定是要去接家人。于是派兵往沛县赶去，想抢在刘邦的前头，劫持他的家人。
不过项羽的士兵和刘邦都没有见到太公和刘邦的妻儿。因为沛县是刘邦的老家，那里的人知道刘邦战败的消息后都纷纷逃走了。刘邦的父亲和妻儿也跟随难民开始了逃亡。他们逃得实在太仓皇了，不久就被难民冲散了。刘邦和自己的几个亲信坐在马车里没命似的奔逃。此时，刘邦的大舅子吕泽就屯兵在下邑（今安徽省砀山县），刘邦只有赶到那里去了。在逃命的路上，刘邦意外地碰到了自己的儿子刘盈和女儿（后被称鲁元公主）。于是，刘邦便把他们救到车上一起往下邑逃去。
这时，项羽那似乎永远不知疲惫的精兵远远地跟了上来。眼见他们越来越近，刘邦越来越着急。刘邦看了看车上，人太多了，马跑得太慢了，怎么办呢？刘邦一横心，就把自己的儿子和女儿推了下去。夏侯婴见状，大惊，急忙跳下车，一手抓住一个孩子又跳了上来。夏侯婴刚把孩子放下，刘邦又把他们推了下去。夏侯婴再次把他们拉到了车上。就这样，刘邦逃命的时候，不顾亲生子女的安危，三次把他们推下车，夏侯婴又三次把他们拉了上来。过后夏侯婴对刘邦说：“你这是干什么啊！虽然现在情况很危急，但是也不能不顾自己亲生子女的安危啊！我们慢慢走吧！”
最终，刘邦一行在被楚军追上之前赶到了下邑。下了马车，刘邦抱着自己的一双儿女大哭起来。这时，他才想到夏侯婴，是夏侯婴救了自己的孩子！刘邦逃脱以后，就暗中派人去找父亲太公和妻子吕氏。但是正逢乱世，难民到处流窜，到哪里去找他们呢！这时，审食其（刘邦的家臣）和太公以及吕氏在一起，他们也到处在找刘邦。岂料，他们运气实在不佳，不但没有找到刘邦，反而遇到了楚军。于是，楚军把他们带了回去，交给了项羽。可项羽并没有杀审食其等，而是把他们安置在了军营中。
彭城之战刘邦之所以败得这么惨，原因有很多：麻痹、轻敌、大意以及军队没有统一的指挥（各个诸侯王各自只顾及自身）。但是更重要的，是因为项羽太强大。刘邦并非一点防范的措施也没有，而且他们对于项羽的进攻能力估计不足。