这时候，吕后的哥哥周吕侯为刘邦带兵驻守下邑，刘邦顺小路去投奔他，渐渐地收集汉军士卒。到荥阳时，各路败军都已会集在这里，萧何也把关中没有载入兵役名册的老弱人丁全部都带到荥阳，汉军重又大振。楚军从彭城出发，一路上经常借着胜利的威势追击败逃的汉兵。可是在荥阳南面的京邑、索邑之间与汉军打了一仗，汉军打败了楚军，楚军因此不能越过荥阳向西推进。

项羽去援救彭城，追赶刘邦到荥阳，这时田横也得以恢复了齐地，立田荣的儿子田广为齐王。刘邦在彭城失败的时候，诸侯又都归附楚而背叛了汉。刘邦驻扎在荥阳，筑起两边有墙的甬道，和黄河南岸相连接，用以取得敖仓的粮食。汉三年前204，项羽多次侵夺刘邦的甬道，刘邦粮食匮乏，心里恐慌，请求讲和，条件是把荥阳以西的地盘划归刘邦。

项羽打算接受这个条件。历阳侯范增说：“汉军容易对付了，如果现在把它放走而不征服它，以后一定会后悔的”项羽和范增立即包围了荥阳。刘邦很担心，就用陈平的计策离间项羽。项羽的使者来了，刘邦让人准备了特别丰盛的酒筵，端过来刚要进献，一见使者又装作惊愕的样子说道：“我们以为是亚父的使者，没想到却是项羽的使者。”把酒筵重又撤回，拿来粗劣的饭食给项羽使者吃。使者回去向项羽报告，项羽竟真的怀疑范增和刘邦有私情，渐渐地把他的权力剥夺了。范增非常气愤，说：“天下事大局已定，君王您自己看着办吧。希望您把这把老骨头赐还给我，让我回乡为民吧。”项羽答应了他的请求。范增启程走了，还没走到彭城，由于背上毒疮发作而身亡。

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。刘邦和项羽隔着广武涧对话。项羽要跟刘邦单独决一雌雄，刘邦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成，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刘邦。刘邦伤的是胸部，却按着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾”刘邦因受箭伤而病倒了，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。刘邦出去巡视军营，病情加重，立即赶回了成皋。

项羽罢兵回东方了，刘邦也想率军回西方。但刘邦采用张良、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。刘邦到达固陵，韩信、彭越却没有来会合。楚军迎击汉军，把汉军打得大败。刘邦又逃回营垒，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、彭越都来会合了。黥布和刘贾进入楚地，围攻寿春，刘邦却在固陵打了败仗，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fu,甫,然后随刘贾、齐、梁诸侯的军队在垓下大会师。刘邦封武王黥布为淮南王。