吕后的哥哥周吕侯为汉王率兵驻扎在下邑。汉王去投奔他，逐渐聚集士卒，驻扎在砀县。然后率军向西，经过梁地，到达虞县。汉王派使者随何到九江王黥布那里去，说：“您如果能说服黥布发兵反楚，项羽一定会暂停留在那里攻击黥布。只要项羽军停留几个月，我就一定能取得天下。”随何前去游说九江王黥布。黥布果然反楚。楚派龙且前去攻打他。
汉王在彭城兵败向西撤退的时候，途中派人去寻找家室，家室都已逃走，没有找到他们。败退途中只找到了孝惠。六月，立孝惠为太子，大赦罪犯。让太子守卫栎阳，把在吴中的各诸侯的儿子也都集中到栎阳来守卫。接着，引水灌废丘，废丘降汉，章邯自杀。把废丘改名为槐里。于是命令掌管祭祀的祠官祭祀天地、四方、上帝、山川，要按时祭祀。又发动关内的士兵去防守边塞。
这时候，九江王黥布与龙且交战，没打胜，就跟随何一起抄小路而行来归附汉王。汉王又渐渐收集士兵，跟各路将领及吴中军队频频出动，因而队声威大振于荥阳，在京、索之间击败了楚军。
三年（前204），魏王豹请假回乡去探视父母的疾病，一到魏国，就毁绝了黄河的渡口，反汉助楚。汉王派郦食其去劝说魏豹，魏豹不听。汉王就派将军韩信前去攻打，把魏军打得大败，俘虏了魏豹，于是平定了魏地，设置了三个郡：河东郡：太原郡、上党郡。汉王随即命令张耳与韩信率兵进攻取井陉（ｘｉｎｇ，形），攻打赵国，杀了陈余和赵王歇。第二年，封张耳为赵王。
汉王的军队驻扎在荥阳南面，修筑了一条两旁筑墙的甬道，和黄河南岸相连接，以便取用敖仓的粮食。汉王跟项羽互相对峙，持续了一年多。项羽多次侵夺汉甬道，汉军粮食缺乏，项羽于是包围了汉王。汉王请求讲和，条件是把荥阳以西的地方划归汉王。项王不答应。汉王为此而忧虑，就用陈平的计策，给了陈平黄金四万斤，用以离间项羽和范增君巨之间的关系。项羽便对亚父范增产生了怀疑。范增当时是劝项羽务必攻下荥阳，当他遭到项羽猜疑后，非常愤怒，就托辞年老，希望项羽准许他乞身告退回乡为民，结果还没有到彭城就死了。
汉军粮草断绝，就趁夜把二千多名身披铠甲的女子放出东门，楚军从四面追赶围打。这时将军纪信乘坐着汉王的车驾，假扮成汉王的样子诳骗楚军。楚军一起高呼万岁，都到城东去观看，因此汉王才得以带着几十名随从骑兵从城西门出去逃走。出城之前汉王命令御使大夫周苛、魏豹、枞（ｃōｎｇ，聪）公守卫荥阳。那些不能随从汉王出城的将领和士兵，都留在城中，周苛、枞公商量说：“魏豹是已经反叛过的侯国之王，难以和他一起守城。”于是把魏豹杀了。
汉王逃出荥阳进入关中，收集士兵准备再次东进。袁生游说汉王说：“汉与楚在荥阳相持不下好几年，汉军常陷于水利的因境。希望汉王出武关，项羽一定率军南下，那时大王加高壁垒，不出战，让荥阳、成皋一带得以休息。派韩信等去安抚河北赵地，把燕国、齐国连结起来，那时大王再兵进荥阳也不晚。这样，楚军就要多方防备，力量分散，而汉军得到了休整，再跟楚军作战，打败楚军，就确定无疑了。”汉王听从了他的计策，出兵于宛县、叶县之间，与黥布一路行进，一路收集人马。
项羽听说汉王在宛县，果然率军南下。汉王加固壁垒，不跟他交战。这时候，彭越渡过睢水，和项声、薛公在下邳（ｐī，批）交战，彭越大败楚军。于是项羽就率军东进去攻打彭越。汉王同时也就率军北进，驻扎在成皋。项羽打跑了彭越，听说汉王又驻进了成皋，就率军向西，攻下了荥阳，杀死了周苛、枞公、并且俘虏了韩王信，接着包围了成皋。
汉王逃走，只和滕公共乘一车从成皋北面的玉门逃去，往北渡过黄河，驱马跑到夜晚，留宿在修武。他自称是使者，在第二天清晨，冲入张耳，韩信的军营，夺了他们的军权。又派张耳往北到赵地去大量收集兵卒，派韩信东进攻打齐国。汉王取得了韩信的军队，重新振作起来，率军南进临近了黄河，在小修武的南面犒劳部队，想要跟项羽再战，郎中郑忠劝阻汉王，让他加深壕沟，增高壁垒坚守，不要跟楚军作战。汉王听从了他的计谋，派卢绾、刘贾率兵二万人，骑兵数百名，渡过白马津，进入楚地，跟彭越 的军队一起在燕县西面再次打败了楚军， 接着又攻下了梁地的十多座城池。
淮阴侯韩信已受命东进，还没有渡过平原津。这时，汉王却 暗中派郦食其前去游说齐王田广，田广叛楚，与汉和好，共同进攻项羽。韩信见此，本想停止攻齐，蒯（ｋｕǎｉ，快上声）通劝他还是要攻下齐国，于是听了蒯通的主意，袭击并打攻了齐军。齐王用大鼎把郦食其煮死，向东逃到高密。项羽听 说韩信已率河北军攻占了齐国、赵国，将要进攻楚国，就派龙且、周兰前去打韩信。韩信跟他们交战，骑将灌婴出击，大败楚军，杀了龙且。齐王田广奔往彭城。这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。
四年（前203），项羽对海春侯大司马曹咎说：“你们谨慎地守住成皋。如果汉军挑战，千万不要应战，只要别让他们东进就可以了。我在十五天之内一定能平定梁地，回头再跟将军们会合。”便率兵去攻打陈留、外黄、睢阳，都攻下来了。汉军果然多次向楚军挑战，楚军都不出来，汉军派人辱骂他们，接连五六天，曹咎气愤之极，领兵横渡汜水。士兵刚刚渡这一半，汉军出击，大败楚军，缴获了楚国的全部金玉财物。大司马曹咎、长史司马欣都在汜水上自刎了。项羽到达睢阳，听说海春侯被打败，就率军赶回来。汉军这时把钟离眛（mèi，妹）围困在荥阳东面，项羽到来，汉兵已全部跑到深山险阻地带去了。韩信攻下齐国后。派人去对汉王说：“齐国和楚国临界，我的权力太小，如果不立个代理之王，恐怕不能安定齐地。”汉王想去攻打韩信，留侯张良说：“不如趁此机会立他为齐王，让他自己为自己守住齐地。”于是汉王派张良带着王印到齐国封韩信为齐王。
项羽听说龙且的军队被打败，就害怕了，派盱台人武涉去游说韩信反汉。韩信没有同意。
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。汉王和项羽隔着广武涧对话。项羽要跟汉王单独决一雌雄，汉王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汉王。汉王伤的是胸部，却按着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾！”汉王因受箭伤而病倒了，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。汉王出去巡视军营，病情加重，立即赶回了成皋。
汉王病愈后，西行入关，来到栎阳，慰问当地父老，摆设酒席，杀了原塞王司马欣，把他的头悬挂在木杆上示众。汉王在栎阳停留了四天，又回到军中，部队驻扎在广武。这时候，关中的军队出关参战的也增多了。
这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。田横前往梁地依附他。项羽多次攻击彭越等人，齐王韩信又进兵攻打楚军，项羽害怕了，就跟汉王约定，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽送回了汉王的家属，汉军官兵都呼喊万岁，然后项羽回营别去。
项羽罢兵回东方了，汉王也想率军回西方。但汉王采用张良、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。汉王到达固陵，韩信、彭越却没有来会合。楚军迎击汉军，把汉军打得大败。汉王又逃回营垒，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，汉王却在固陵打了败仗，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（ｆǔ，甫）， 然后随刘贾、齐、梁诸侯的军队在垓下大会师。汉王封武王黥布为淮南王。
五年（前202），高祖和诸侯军共同进攻楚军，与项羽在垓下决战�