从汉王元年（前206）八月兵出陈仓，到高祖五年（前202）初，楚汉战争延续了近四年的时间。在短短的四年内，刘邦以小击大，终于迫使不可一世的项羽在乌江自刎，其原因是多方面的。就项羽方面来说，他残暴寡恩，不但各方诸侯纷纷反项迎刘，连身边亲信也逐渐散去，终于落得众叛亲离的悲惨下场；而就刘邦方面来说，他对人才的笼络和运用，对民心的掌控，以及对军事全局的估量，都有很多精彩之笔，胜利虽然来之不易，却绝非偶然。
刘邦先是“明修栈道，暗渡陈仓”，一战击败章邯，司马欣和董翳被迫投降。接着，为了麻痹敌人，他派张良写信给项羽说：“汉王不过想得到关中，达成当初义帝‘先入关中者称王’的约定，就会止步了，不敢继续往东方扩张。”同时还故意把齐、梁等国约同造反的密信送给项羽，项羽因此专顾北向进攻齐地，放松对西方的警惕。
当年十月，项羽派九江王英布、衡山王吴芮、临江王共敖谋杀了义帝。刘邦得到这个借口，大为高兴，即刻挥师出关东向。他派萧何稳定关中的民心，积聚钱粮；同时派张良、郦食其等人策动关东诸侯反项，自己则先后攻破河南王申阳、韩王郑昌、魏王魏豹、殷王司马，一直打进了洛阳城。刘邦随即在洛阳为义帝发丧，号召各路诸侯，共讨弑主逆贼项羽。
汉王二年（前205）四月，趁着项羽正在和齐军大战，刘邦率各路诸侯兵马59万，突袭项羽的大本营彭城（今江苏徐州）。但进了彭城以后，刘邦老毛病又犯了，尽收项羽的珍宝、美女，每日置酒高会，以为天下指日可定。项羽听说彭城失守，急忙把讨伐齐国的指挥权交给部下，自己亲率3万精兵赶了回来。两军在城外大战，从早晨直杀到中午，汉军溃败，战死20余万人。刘邦只在数十骑的保护下仓皇逃走，连父亲刘太公和妻子吕雉都被项羽俘虏了。
经过彭城之战，诸侯大多背弃与汉国的盟约，重新倒向西楚。刘邦逃到下邑，得到妻兄吕泽的帮助，收拢残兵，退守荥阳。刘邦就在这里坚守不战，以牵制项羽主力，同时策动彭越和九江王英布从侧面打击项羽，派韩信北进，从赵地直到齐地，逐步蚕食摇摆于项、刘之间的诸侯势力。韩信先后平魏，破代，攻灭赵国，逐一斩断项羽在北方的臂膀。
刘邦还采纳陈平之计，在西楚阵营内实施反间计，离间项羽与其部下的关系。他困守荥阳时曾向楚求和，项羽就派使者前往汉营。陈平准备了美酒佳肴款待，可临到使者准备动筷子，陈平却故作惊讶状，说：“我还以为是亚父（指范增）派来的使者，原来是项羽派来的使者啊。”于是命令撤掉美食，换上粗粮。使者回去后将此事禀报项羽，项羽果然对谋士范增起了疑心，因此范增屡次催促急攻荥阳，项羽总是不肯听从。范增又是痛心，又是愤怒，说：“天下事大定矣，君王自为之，愿请骸骨归。”于是愤然离去，但还没走到彭城，就重病身亡了。
楚军围困荥阳一年多的时间，断绝了汉军的运粮道路，刘邦实在熬不下去了。汉王三年（前204）五月，楚军攻势转急，大将纪信对刘邦说：“请让我去蒙骗楚人，你趁机逃出去吧。”于是半夜打开荥阳东门，放出2 000多披甲的妇女，纪信穿着刘邦的衣服，坐着刘邦的马车，打着刘邦的旗号，跟随在后，口中大喊：“城中粮食已经吃完了，汉王投降！”楚军欢呼围观，刘邦趁机带着十多名亲信从西门逃了出去。
项羽知道上当后，凶残地烧死了纪信。刘邦逃出荥阳，经成皋（今河南巩县东北）进入函谷关，在关中召募了一些兵马，准备重返荥阳前线。袁生献计说：“汉、楚两军在荥阳对峙了好几年，士兵非常疲惫。希望大王兵出武关，项羽必会南下追击您。这样荥阳、成皋间的士兵就可以得到休整的时间。”刘邦采纳了他的建议，进军宛（今河南南阳）、叶（今河南叶县）方向，与助汉的九江王英布相配合，以引诱楚军南下。项羽果然中计，率主力匆匆杀来夺宛，刘邦坚壁高垒，不肯出战。
深入敌后的豪杰彭越，恰在此时于下邳大败楚军，项羽被迫放弃刘邦，东征彭越。刘邦趁机北进至成皋，可是刘邦还没站稳脚跟，项羽打败彭越后又杀了回来，一战攻克荥阳。刘邦匆忙和夏侯婴两人共乘一辆马车，从成皋逃出去，北渡黄河，宿在修武（今河南获嘉）。这里已是赵地，韩信、张耳两将正在此处指挥作战。刘邦直闯入两将营中，把他们所有的兵马都划归自己直接统辖，然后派韩信往东去经略齐地，张耳在赵地征兵。刘邦有了这支兵马，胆气又壮了起来，他派卢绾、刘贾率两万精兵南渡黄河，配合彭越在西楚内部打游击战。
当年十月，已经攻克成皋的项羽率领主力东向，再次去讨伐彭越。他留下大司马曹咎守城，命其小心防守，不要与汉军交战。项羽一走，刘邦立刻就赶了回来，派人羞辱曹咎，诱其出城迎战。结果是楚军大败，曹咎自杀，刘邦收复了成皋。项羽听闻消息，匆匆回军来救，和刘邦对峙于广武（今河南荥阳东北）。
