楚怀王把主要兵力集中在北上救赵的援军上，因为秦军的主力在那里，无疑将会在那里有一场决战，这样的兵力部署是正确的。但因为定陶之战项梁失利后，楚军受到很大的损失，所以项羽率领的北上救赵部队，最多也不超过十万人。
相比之下，刘邦的西征军要少得多。他从砀县出发西征时，兵力不足万人。以不足万人的军队进行西征，当然是困难重重，但刘邦在西征中，充分认识到了自己的不足，采取避实攻虚的战略，以扇形的攻势，逐步向西推进。为了扩充兵力，他沿途注意收集陈胜、项梁战败后散落在各地的士兵，以滚雪球的方式，逐步壮大了自己的队伍。
刘邦首先进攻的目标，是砀县北面的城阳（今山东甄城县东）和杠里（今山东范县西），这里有两座秦的军营。本来一开始就打攻坚战，不易从速取胜，但因为这一带是项梁与章邯决战的地方，项梁失败战死后，仍有不少部下在这一带进行反秦的活动，环境条件比较好；更重要的是秦军营中存有不少粮食，这对于缺少粮食供应的刘邦军队来说，至关重要。所以他一开始西征，首先是向北行动，攻破了这两个地方的秦军壁垒后，取得了军需和物资，才好准备下一步的军事行动。
刘邦的军队攻破城阳和杠里后，接着又向南转移。这里属于秦东群管辖，又离巨鹿不远，秦的东郡尉请来围攻巨鹿的王离军队的一支援军，在成武（今山东成武县）与刘邦的军队进行战斗，刘邦又大破秦军，取得了胜利。
刘邦在成武击败秦军后，在昌邑附近遇到了彭越率领的一支千余人的反秦起义军。彭越是昌邑（今山东金乡县西）人，在巨野泽（今山东巨野一带）捕鱼为生。陈胜起义后，他在当地组织千余渔民响应起义。刘邦占领成武后，彭越与刘邦联合进攻昌邑，未能攻下。彭越不愿离开家乡参加刘邦的西征军，所以这支起义军又退回了巨野泽中。
刘邦的军队从昌邑返回砀县。途经栗县时，遇到魏将刚武侯率领的一支四千人的军队，刘邦用计谋将他的军队夺过来。这时魏将皇欣和司徒武蒲率领的一支魏军也在这一带活动，他们主动与刘邦联合再次进攻昌邑，仍未攻下。
刘邦这一带的活动，严格地说来还不能算是西征，因为他主要活动的地方在砀县以北，是围绕着两次进攻昌邑而进行的。这一段活动虽然没有西进，但却扩充了兵员，解决了粮食供应，为下一步的西征做好了准备。
昌邑并不在刘邦西进的路上，他两次攻昌邑不下，就解昌邑之围，率兵向西推进。到了高阳（今河南杞县西），他遇见了谋士郦食其和他的弟弟郦商。
郦食其是高阳的一个穷儒生，为里监门吏（看门人）。他虽然穷，可读了不少书，有计谋，很狂妄。陈胜起义后，有数十支起义军先后路过高阳，他打听到这些起义军的将领多狂妄自大，没有大的抱负，听不进别人的意见，所以都避而不见。当刘邦的军队到了高阳时，刘邦有一个卫士过去是郦食其的邻居，郦食其向他打听刘邦的为人，这个卫士对郦食其说，刘邦常常向他问起家乡的贤士豪杰。郦食其对这个卫士说：“我听说刘邦平易近人，胸中多大略，我很佩服这样的人，很想跟随他参加反秦的斗争，可惜就是没有人给我作介绍。你见到刘邦的时候，就对他说：‘我的同乡中有个叫郦食其的，年纪六十多岁，身高八尺，大家都叫他狂生。’但是你要对他说，我并不是狂生。”这个卫士回答说：“刘邦不喜欢儒生。有客人戴儒生帽子来见他，刘邦就把人家的帽子拿下来，在帽子里撒尿；和儒生说话的时候，也常常大骂他们。你可千万不要说自己是儒生。”郦食其说：“没有关系，你就照我的话说。”
这位卫士如实地把郦食其的话对刘邦说了，刘邦当时就在高阳的旅舍，派人把郦食其请来。郦食其来见刘邦的时候，刘邦正坐在床上，让两个侍女给他洗脚。郦食其看到这个情况，知道刘邦并不看重自己，就只作了个揖，并没有跪而拜见，责问刘邦说：“你是在帮助秦消灭起义军，还是帮助起义军灭秦呢？”刘邦听了十分生气，就大骂郦食其说：“你真是一个糊涂的儒生！天下百姓苦于秦的统治已经很久了，大家才相继起义反对秦的统治，怎么能说我是帮助秦来消灭起义军呢？”郦食其回答说：“你既然是把大家号召组织起来，反对秦的残暴统治，就不应该坐在床上洗脚时会见长者。”刘邦听了，觉得他说得有理，就停止洗脚，穿好衣服，向郦食其道歉，然后请他上坐。
刘邦向郦食其请教灭秦的高见，郦食其给刘邦分析了天下的形势，刘邦听后很佩服郦食其的见解，就留请郦食其一同用餐，并进一步问他说：“你有什么好的计策？”郦食其说：“你虽然沿途招兵买马，收集各地散乱的起义士兵，到现在也只有不满万人的军队，而且这支军队又没有经过什么训练，还是乌合之众。你如果想用这点力量，西征入关，去攻击还很强大的秦，无疑是虎口探食，凶多吉少。”刘邦听了他的话，很着急，问他有什么好的办法。郦食其不慌不忙地说：“陈留（今河南开封市南）是天下交通的要道，军事重镇，秦在那里存放着大量的粮食，但城坚兵多，强攻下来不易。陈留县令是我的好朋友，请你派我去见他，劝他投降。如果劝说无效，你在外面进攻，我在里边做内应，也容易拿下。只要占领了陈留，以陈留的大量粮食为兵食，再四处招兵买马，扩大兵力。那时再西征入关，横行天下，不怕推不翻秦的统治。”刘邦听了郦食其的计谋后，觉得很高明，就决定按他的计划行事。
郦食其按计划连夜去见陈留令。老朋友见面，郦食其开门见山地对他说：“秦的残暴统治，已经引起天下的叛乱，秦的统治不会延续多久了。看在我们是老朋友的面子上，我劝你起来参加反秦的队伍，可以立大功，今后得封诸侯王。如果你现在还认不清天下的形势，继续为秦统治者守城卖命，我很为你的前途和命运担忧！”
陈留令是一个死心塌地为秦的统治者卖命的官僚，他根本听不进郦食其的劝告，反而警告他说：“秦的法律苛重，胡言乱语扰乱军心的要处极刑，到时我也保护不了你。你刚才说的话，就算没有说过，我也没有听见。这些话你不要再讲了，我们还是谈点别的吧。”郦食其见陈留令还很顽固，一时难以劝他回心转意，可是时间又不能拖延，他就考虑其他的办法。还好，陈留令对他还很信任，因为是老朋友，就请他和自己同卧，以便作长夜之谈。郦食其觉得这是个好机会，在半夜趁他熟睡时，就顾不得朋友的交情了，突然将他杀死。他没有惊动别人，带着陈留令的头，连夜从城墙上偷偷爬出去，把经过报告了刘邦。刘邦听到郦食其已杀陈留令的消息，认为攻城的时机已到，马上带兵攻城。他为了动摇守城秦军的士气，就把陈留令的头绑在长竿上，向守城的秦军将士宣传说：“我们已经杀了陈留令，这就是他的头。你们赶快投降吧，如果现在还不投降，也会落得陈留令这样的下场！”陈留令的守军，见县令已被杀，失去了首领，乱作一团，都争先恐后地下城向刘邦投降。刘邦不费吹灰之力就占领了陈留，郦食其的计谋得到实现。
陈留果然如郦食其所说，储粮很多。刘邦利用陈留的粮食，在这里停留了三个月，扩充兵力一万多人，并对军队进行了整顿和训练，为下一步的西征，做了进一步的准备。
攻下陈留，这是刘邦西征中取得的第一个比较大的胜利。它从组织、军事和后勤供应等各个方面，为刘邦的下一步西征创造了条件，也积累了经验。特别是这次胜利的取得，主要靠的是计谋，是政治攻势，而不是军事力量，这个经验对刘邦后来的西征，具有重大的价值。因为从军事上来说，刘邦的军队还很弱小，秦的力量还很强大，西征如果主要靠军事的强攻，很难取得进展，两次进攻昌邑而不下，就证明了这一点。但是从政治上来说，秦的残暴统治已接近瓦解，全国的反秦斗争已成燎原之势而不可阻挡。在这一总的政治形势下，对秦的局部统治区加强政治攻势，再配合军事的压力，往往可以取得军事上所达不到的胜利。如果刘邦在军事上强攻陈留，一时肯定很难拿下；可是利用计谋又配合政治的攻势后，在军事上并没有费多大的力量，就拿下了陈留。这个经验对刘邦来说，肯定是很有启发的。所以后来刘邦在西征中，一直避免用军事的强攻向前推进，而是更多地采用了政治攻势和计谋，避实就虚，利用矛盾，再配以军事的压力，因而才得以顺利西进。
刘邦读书很少，很讨厌读书人，对郦食其这样的儒生，虽然予以召见，但并不看重。所以郦食其进见的时候，他只以接见一般百姓的礼仪相待，显得有点怠慢。
郦食其是一个很自负的读书人，对刘邦的这种怠慢，当然很不服气，所以用刺激的语言使刘邦发火后，以引起他的注意，然后再向他陈述自己的建议。刘邦在这里充分显示了知过能改的长处，他一听郦食其的语气不似凡人，马上改变态度，以礼相待，取得了郦食其的信任。
从郦食其对刘邦的建议看，并没有什么高明之处，只不过是想利用自己与陈留令的朋友关系，给刘邦去当说客。结果陈留令不听他的劝告，他只得背叛朋友，杀了陈留令去向刘邦复命，不管郦食其的手段有什么不可取，但他毕竟帮助刘邦拿下了陈留，这是刘邦西征中的第一个重要胜利，对以后的西征关系重大。这对刘邦轻视儒生，也应该是一个教训。
刘邦占领陈留后，因为郦食其献计有功，封他为广野君。郦食其的弟弟郦商，在陈胜起义之后，也在当地聚众四千人响应起义，这时也在陈留参加了刘邦的起义军。刘邦在陈留经过一段时间休整后，就继续开始西征。
陈留西边的一个重要城市是开封（今河南尉氏县北），刘邦进攻开封，未能攻克。这时郦商率领一支军队进攻开封西的长社（今河南长葛县东），取得胜利，被封为信成君。
刘邦西进在开封受阴，就向北移动，在黄河边上的白马（今河南滑县东）与杨熊率领的秦军相遇，经过激战，杨熊军败走曲遇（今河南中牟县）。刘邦追至曲遇东，又大败杨熊军，杨熊退守荥阳（今河南荥阳县）。秦二世认为杨熊军一败再败，有失军职，就派使者在荥阳将他处死。
荥阳是秦在函谷关外设的军事重镇，有重兵把守。刘邦没有再追击退守荥阳的秦军，而是绕开这一带秦军主力，突然南下进攻颖阳（今河南襄城县北），这一带因为有张良活动的基础，所以很快就将它占领了。刘邦攻占颖阳的目的，看来主要是想与在这里进行游击战的张良会合。
刘邦与张良在颖阳研究了下一步作战的方案。张良向刘邦建议，绕过敌军重兵据守的荥阳，移军西北，攻占战略要地冁辕关（今河南偃师县南），然后再从那里西进入关。刘邦接受了张良的意见，移兵攻占了冁辕关。
这时赵国的将领司马印，正率领一支军队准备渡过黄河，西进入关。刘邦怕他先入关抢了自己的功劳，就占领了黄河的渡口平阴（今河南孟津县），以阻击赵军渡河。
从冁辕关西进的一个主要敌军据点是洛阳（今河南洛阳市东），刘邦在洛阳东郊与秦军接战，刘邦军队失利。刘邦如果再绕过洛阳西进，那么他的后方就有占据荥阳、洛阳的敌军，易受前后夹攻，处于被动。如果强攻洛阳后再西进，又会延误西进的时间。刘邦和张良研究后决定，改变入函谷关的打算，而改由敌军防守比较薄弱的武关（今河南西峡县西）进入关中。刘邦及时地改变西进的路线，看来是完全正确的。
刘邦决定改变西进的路线后，就由洛阳东郊向南进至阳城（今河南方城县）。这里是韩国的故地，他趁机和张良攻占了十余城后，就让韩王成留守阳翟（今河南禹县），以牵制这一带的秦军，帮助自己稳定后方，然后请张良与自己一起，参加西征的战斗。刘邦的部下，善战的武将多，而缺乏懂兵法的高级参谋人员，张良对兵法很有研究。他提出的一些战略战术思想，也很符合刘邦的心意，刘邦这次请张良跟着自己西征，是很有远见的。张良在西征中，也给刘邦出了很多高明的主意，对刘邦很快进入关中，推翻秦朝的统治，起了很好的作用。
秦朝的时候，从当时的关东（今河南、山东一带）进入关中平原，主要有两条道路：一条经过函谷关，另一条经过武关。从函谷关进入关中，路途较短，路也比较好走，是当时的主要通道，所以秦统治者在关内外都设有重兵把守。陈胜起义之后，先派吴广率主力西征，结果在荥阳城下受阻，未能进入函谷关；随后陈胜又派周文率第二支西征军，他绕过荥阳等秦军的据点，很快就进入了函谷关，可惜孤军深入，后来被迫退出关中。这两支西征军都在函谷关附近被敌人消灭了。
从武关进入关中，虽然路远难走，可秦军的防守较弱。陈胜曾派宋留率一支西征军想从武关进入关中，军事进展很顺利，很快就叩开武关的大门，可惜宋留中途动摇降秦，也未能进入武关。刘邦一开始也想从函谷关入关，可当他遇到在那里防守的秦兵抵御后，很快改变了入函谷关的决定，而准备由武关入关中。刘邦在兵力有限而时间又很紧迫的情况下，避开敌人重兵防守的地方，改攻其薄弱地方的决定是正确的。
阳城属秦南阳郡管辖。刘邦在阳城对军队进行了一些休整后，为了加强军队的机动力量，能尽快地进入关中，就把军中的骑兵集中起来，与秦南阳郡守吕黼，在筚县（今河南平顶山市南）东郊进行了激战，吕骑战败退守宛县（今河南南阳市）。刘邦认为吕射已是战败之军，怕再进攻宛县会延误进关的时间，就放下宛县不攻，率军继续西进。
张良认为刘邦这种把敌人留在后方，自己冒险前进的战术很危险，万一前面遇到强敌，暂时失利，很可能陷入腹背受敌的局面。张良就对刘邦说：“你虽然急于要西进入关，但要考虑到现在秦兵还很多，到处都在依险据守，抵抗起义军前进。现在我们没有攻下宛城就西进，前面有秦的强大队伍在抗击我们，如果守宛城的秦军再从后面袭击，我们的处境可就危险了！”
刘邦是一个很善于接受别人正确意见的人。他觉得张良的话很对，就马上改正，连夜率军从另一条路返回宛城，并更换了旗帜，在黎明的时候，在宛城守军未发现的情况下，把宛城又包围起来。宛城的守军误认为这是另一支起义军，吕豁感到宛城的再次被包围，起义军不拿下来决不会再撤走了，觉得守城无望，就想自杀。
吕豁的部下陈恢，见郡守对守城失望了，想自杀殉职，就劝他说：“你不要忙于自杀。我再想一想解救的办法，如果无效，你再自杀也不晚。”
陈恢有什么高招呢？他只不过想借反秦起义军急于入关的机会，为吕豁的投降讨价还价。陈恢逾城到了城外，找到了刘邦，向刘邦建议说：“我听说你在西征时，楚怀王有约在先，先入咸阳者封为王。宛县是南阳郡的都城，南阳是个大郡，下属有县城数十座，人口众多，积存的粮食也很多。现在郡守自认为投降起义军，必然会被处死，所以不投降，要坚决死守宛城。在这样的情况下，你如果强攻宛城，必然会受到很大的损失，一时也难以攻下，如果你不攻下宛城继续西征，宛城郡守必然会率军在后边进攻你。在此形势下，你如果强攻宛城，就延误了先进入关中占领咸阳的机会，如果放弃宛城不攻而西进，又有强敌在后，随时有前后被夹攻的危险。为了解脱你现在进退两难的处境，我向你建议，最好的办法是劝宛城的守军投降，封其郡守为起义军的官吏，让他为起义军驻守这里，还可以征调他的兵马，为起义军西征出力。你如果在宛城这么办了，秦在其他地方的守城将领，听到起义军来了，就都会争着开城门欢迎你，你不用费一兵一卒之力，在西征的路上就会畅通无阻，很快到达咸阳。”
陈恢看来既了解刘邦的处境，又很熟悉当时秦朝地方官吏的思想和心理状况。秦的一些地方官吏，已经看到秦统治即将瓦解的形势，他们之所以还拼死反抗起义军，是因为过去为秦统治者卖命，作恶多端，怕得不到起义军的谅解，对他们进行报复。陈恢的话，再一次提醒刘邦，在西征中要加强政治攻势，不能光依靠武力解决问题。所以刘邦很高兴地接受了陈恢的意见，接受宛城的投降，封吕豁为殷侯，还封陈恢为千户。这样做不但没有因为攻宛城损失兵力和耗费时间，反而从宛城得到了军事和物资上的支援。
刘邦在宛城的这一封秦的投降官吏为侯的做法，很快就传到其他秦的地方官吏中，对秦的统治起了政治上的瓦解作用。本来秦的一些地方官吏在强大的反秦起义浪潮中，正感到走投无路时，刘邦的这一做法，给他们指明了政治前途和出路。从这以后，刘邦的西征就很顺利，西征军所到之处，秦的地方官吏纷纷不战而降。
刘邦的西征军接着又攻丹水（今河南淅川县西），秦守将高武侯戚鳃、襄侯王陵投降。丹水已经靠近武关，但刘邦没有从这里马上进攻武关。他为了解除后方可能的威胁，又向东南进攻胡阳（今河南唐河县南），在这里遇到参加反秦起义的秦番阳令吴芮派来进行反秦活动的部将梅绢。梅绢和刘邦的军队采取联合行动，迫使析县（今河南淅川县北）、郦县（今河南南召县南）的秦守军投降。这样，刘邦就基本上清除了在南阳郡的秦朝力量，为西入武关扫清了后方障碍。
刘邦在进入武关前，一方面派魏人宁昌为使者，去劝说秦二世投降，但使者被秦二世扣留，未起作用；另一方面，为了争取进入关中后，得到秦百姓的支持，减少进军的阻力，刘邦在这时整顿了军队的纪律，约束部下不得烧杀抢掠。这些都为刘邦入关后的胜利进军，创造了条件。
刘邦从砀县出发西征之后，占领宛县是继占领陈留之后，取得的第二次大的胜利。这两次胜利都是依靠计谋和政治攻势取得的，因为刘邦当时的兵力有限，如果单纯依靠军事行动，肯定不会取得那么大的战果。这说明由于秦统治者的残暴和不得人心，也由于全国反秦斗争的高涨，秦的统治实际上已临近瓦解。
宛县是南阳郡的郡治所在，它是刘邦西征中继颖川郡的阳翟外，占领的第二个郡的首府。但颖川郡是个小郡，地位远不如南阳郡重要。所以刘邦占领宛县，不但打开了进入武关的门户，在政治上也有十分重要的意义和价值。