八月，劉邦派曹參、韓信奉命開闢北方戰場。九月破魏，後九月破代，三年十月擊滅趙軍主力。劉邦亦遣兵一部渡河水，攻克河內(即懷縣，今河南武陟西南)、朝歌(今淇縣)、安陽(今安陽南)、邯鄲(今屬河北)，接應韓信。項羽此時始察漢軍意圖，幾次遣騎兵渡河爭奪趙地，均被韓信擊退。十二月，被龍且擊敗的英布潛行至滎陽，協助劉邦防禦。
項羽全力發動攻勢，多次切斷甬道，使漢軍乏食。劉邦聽酈食其之言，欲遣使復立六國貴族後裔，以分散楚軍力量，被張良阻止。後納陳平之謀，遣奸細散佈流言，離間項羽上下關係。四月，楚軍圍困劉邦於榮陽。劉邦於危急之際，始行緩兵計，遣使求和，願割滎陽以東予楚;繼施反間計，使項羽猜忌主要謀士范增，致范增憤然辭去。七月，用將軍紀信計，令周苛等堅守城池，以紀信作替身，出東門詐降，自與陳平等趁亂由西門逃離滎陽，經成皋入關。項羽燒死紀信，指揮楚軍緊圍榮陽，佔領劉邦放棄的成皋。劉邦在關中徵得新兵，本欲東進，被轅生諫阻，乃依其言引兵經武關(今陝西商南南)出宛(今河南南陽)、葉(今葉縣南)，以吸引楚軍，減輕榮陽一線漢軍壓力。項羽率主力南下，漢軍堅壁不戰。
劉邦派灌嬰和靳歙深入楚軍後方斷楚軍糧道,灌嬰、靳歙進展迅速率騎兵突襲滎陽、陽武到襄邑糧道,另外深入到魯下,在魯下大破項冠楚軍 ,另讓彭越加強對楚後方的襲擊，彭越不失所望，擊敗項聲、薛公攻佔了要地下邳，直接給楚都彭城造成威脅。劉邦趁機北上大破終公楚軍收復漢軍放棄的成皋， 而丁復同時也在葉擊破楚軍。
八月，項羽擊敗彭越，在滎陽徹底彈盡糧絕以凌厲攻勢拔滎陽，烹周苛，[7] 進攻成皋。劉邦出成皋北門，渡河水北去。隨後漢軍再次放棄成皋，楚軍拿下成皋後乘勢西進，被漢軍阻於鞏縣(今河南鞏義西南)一帶。八月，劉邦率原屬韓信指揮的漢軍臨河水北岸，欲與項羽交鋒，復納鄭忠之言，深溝高壘，堅壁不戰。同時，命韓信在趙地組建新軍擊齊;遣盧綰、劉賈率兵2萬渡白馬津(今滑縣東)，深入楚地，協助彭越擾楚後方。九月，項羽聞彭越等攻下睢陽(今商丘南)、外黃(今蘭考東南)等17城，大驚，復領兵東歸。臨行，留大司馬曹咎守成皋，囑其謹慎勿戰。劉邦欲捨棄成皋以東地區，專力屯守鞏縣、洛陽。酈食其極力諫阻，勸劉邦乘楚軍無暇西顧之機收復滎陽，佔據敖倉，攻奪成皋，控制用兵要地，相機破敵。又自薦遊說田廣，使其附漢。劉邦從其計。四年十月，連續數日遣士兵辱罵曹咎，激其出戰。曹咎領兵出城，渡汜水，欲與漢軍交鋒。劉邦趁其半渡，揮軍猛攻，大破楚軍，再次收復成皋。曹咎及司馬欣、董翳皆自殺。劉邦遂率漢軍駐於廣武(今榮陽北)，取食於敖倉，並圍楚將鍾離眜於滎陽。
項羽迅速攻下樑地十餘城，得知成皋再度易手，急率主力西進，解榮陽之圍，然後屯軍廣武，與漢相持。十一月，聞楚齊聯軍覆滅於濰水，乃使說客至齊，遊說韓信反漢聯楚，三分天下，遭拒絕。八月，項羽得知隸屬於韓信的灌嬰率部南下，馳騁於彭城附近，慮及己方少食寡助，士卒飢疲，乃與漢盟約：以鴻溝爲界，中分天下，東屬楚，西屬漢。九月，項羽將彭城之戰中擄獲的劉邦妻、父送還，引兵東歸。
漢二年(前205年)五月，劉邦退到滎陽一線收集殘部。這時，劉邦的部下蕭何在關中徵售到大批兵員補充前線，韓信也帶部隊趕來與劉邦會合。漢軍得到休整補充後，實力復振，拜灌嬰爲中大夫，統率騎兵，在滎陽以東大敗乘勝追擊的楚軍，將楚軍成功地遏阻於滎陽以東地區，暫時穩定了戰局，並派隨何說降九江王英布。滎陽及其西面的成皋，南屏嵩山，北臨河水(黃河)，汜水縱流其間，爲洛陽的門戶，入函谷關(今河南靈寶東北)的咽喉，戰略地位十分重要。自次年四月起，漢、楚兩軍爲爭奪該地展開了一場曠日持久的戰爭。
漢二年六月， 劉邦派酈食其勸說魏王魏豹降漢，遭到魏豹的拒絕，八月，派曹參與韓信攻打魏國，俘獲了魏王魏豹。後九月，漢軍平定代國，斬殺了代相國夏說。漢三年十月，劉邦派原常山王張耳收復趙國故地，韓信與張耳一同前往，陳兵井陘，把趙國的主力引向趙國北部，劉邦趁趙國南部空虛，離開滎陽，北渡黃河，攻克河內，從南面進攻趙國，接着攻克了朝歌(今淇縣)、安陽(今安陽南)、邯鄲(今屬河北)，當邯鄲失陷，在井陘與漢軍對峙的趙軍主力進退兩難，張耳與韓信在井陘大敗趙軍，趙將戚將軍逃跑至鄔縣(今山西省介休縣)，被曹參斬殺。趙王歇逃到襄國，張耳與韓信追擊，劉邦亦從邯鄲北上攻打襄國，漢軍南北夾擊，攻破襄國，殺掉了趙王歇。項羽遣騎兵渡河爭奪趙地，被漢軍擊退。
漢三年十二月，韓信與張耳留下在趙國繼續作戰，劉邦返回滎陽。此前英布被隨何策反，項羽派龍且攻打英布，英布戰敗，與隨何回到了滎陽。劉邦召見英布，英布起初不高興，後來見劉邦安排的好，英布又高興起來，使人返九江收兵，使者人緣不錯，收攏數千人歸漢，劉邦也分兵給了英布，然後一路到成皋。
劉邦據守滎陽，取敖倉之食，與項羽對峙，雙方進入相持狀態。項羽多次派兵切斷漢軍的糧道，漢軍糧草供應不上，劉邦遣使與項羽求和，願割讓滎陽以東給予楚國，項羽不同意。劉邦採用陳平之計，遣奸細散佈流言，離間項羽君臣之間的關係，范增遭到項羽的猜忌，憤而離去。
爲了打破滎陽對峙的僵局，劉邦派靳歙與灌嬰攻打楚軍的糧道。 靳歙切斷了楚軍從滎陽至襄邑的糧道，灌嬰切斷了楚軍陽武至襄邑的糧道，命令靳歙與灌嬰離開滎陽，越過樑地，與彭越聯合，攻打楚國後方的魯縣(今山東曲阜)，魯縣與齊國交界，又與彭越毗鄰，是楚國的北部門戶，戰略意義重大。
由於調走了灌嬰與靳歙兩支漢軍精銳，劉邦在滎陽與項羽艱難對峙。漢三年六月，韓信與張耳已平定趙國的反抗餘波，南下至河內修武，接應劉邦。漢三年七月，劉邦令御史大夫周苛、樅公、魏豹等人守滎陽，離開滎陽北渡黃河，來到修武，命令張耳鎮守趙國，拜韓信爲相國，並調集原屬韓信與張耳的軍隊，打算回到滎陽支援前線作戰。此時項羽以滎陽發起猛烈進攻，周苛等人不能抵擋，項羽攻破滎陽，殺了御史大夫周苛，並俘虜了韓王信。劉邦欲回到滎陽與項羽交戰，鄭忠勸諫劉邦，避開項羽的鋒芒，駐紮在河內小修武，不與項羽交戰，劉邦採納。
此時，灌嬰與靳歙在魯縣打敗了項冠，[4] 得知滎陽已失，靳歙南下攻打楚國腹地以牽制項羽，灌嬰率騎兵返回前線增援，在燕縣(今河南延津東北)打敗楚將王武，又在白馬津打敗楚將桓嬰，過白馬津渡黃河，到達河內與劉邦會合，護送漢王劉邦南渡黃河回到洛陽，此時項羽又拿下了漢軍放棄的成皋，到達洛陽附近的鞏縣，雙方在鞏縣交戰，楚軍大敗，不能繼續西進。
劉邦在鞏縣遏制了楚軍的攻勢後，乘勝追擊，意圖奪回成皋，楚軍堅持皋險要，漢軍攻之不下，劉邦打算放棄進攻成皋，退守鞏縣與洛陽。謀士酈食其勸阻劉邦，不要退卻，並向劉邦說明敖倉的重要性，放棄成皋與滎陽就意味着放棄敖倉。此時楚軍後方受到靳歙的牽制，不能全力攻打敖倉，勸劉邦務必加緊進攻成皋，收復滎陽，並堅守敖倉。並自請出使齊，勸說齊王田廣降漢。
劉邦非常贊同酈食其建議，讓他出使齊國，同時派遣灌嬰往邯鄲調回一部分韓信鎮守趙地之軍回到前線，堅守敖倉，並以灌嬰接任周苛的御史大夫之職。
酈食其不辱使命，以三寸之舌成功勸說齊王歸降。齊王同意歸降於漢，撤去歷城的守軍，示無反意，並與酈食其縱酒慶祝。
靳歙在魯縣打敗項冠後，攻打楚國的腹地，此時攻克了繒縣(今屬山東蒼山縣)、郯縣、下邳、蘄縣、竹邑，幾乎包圍彭城。如果不出意外，平定了楚國後方的靳歙再從東面進攻，加上彭越的配合，攻打項羽的背後，據守滎陽與成皋的項羽必將被漢軍包抄，奪回滎陽與成皋指日可待。但此時發生了一件令劉邦意想不到的事：韓信從灌嬰口中得知劉邦已失滎陽與成皋，洛陽危急，於是擅自攻打齊國撤去防守的歷城，齊王大怒，以爲是酈食其出賣了他，將酈食其烹殺，急忙派齊軍再次防守歷城，韓信不能攻下。
韓信攻打齊國，齊國叛漢，劉邦被迫抽調漢軍主力以武力平定齊國，派灌嬰、曹參、傅寬、柴武等漢將赴齊助韓信攻打齊國。這樣一來，失去滎陽與成皋的不利局面雪上加霜，攻打楚國後方的靳歙也不得不放棄進攻，回到鞏縣抵擋項羽。齊王不得已向宿敵楚國求援，項羽爲了壯大自己考慮，也派龍且率20萬楚軍支援齊國。
項羽佔據成皋天險，與漢軍在鞏縣對峙，如果漢軍再失鞏縣，洛陽也將不保。所幸敖倉還在漢軍的掌控下，劉邦派人堅守鞏縣的同時，命令周勃、程黑、郭蒙等堅守敖倉，劉邦自己則駐軍河內小修武(今屬河南焦作)，指揮全局，依黃河北岸駐守，封鎖黃河渡口，以阻止楚軍攻入河內平原，爲了重新取得戰略上的優勢，漢軍必須奪回成皋。但漢軍的主力都用於攻打齊國了，兵力不夠，爲了補充兵源，調集一切可以團結的力量，劉邦派使者發往燕國，請求援助，燕王臧荼派溫疥與昭涉掉尾率燕軍助漢。彭越在樑地，可以對項羽的後方發起進攻，牽制項羽，使項羽不能首尾相顧。劉邦又命令劉賈與盧綰率領二萬人渡過白馬津，與活躍於楚軍後方的彭越軍配合，燒掉楚軍的糧草。在燕縣以西打敗楚軍，攻佔睢陽(今河南商丘西南)等17座城池，項羽親自攻打彭越與劉賈，留大司馬曹咎守成皋，臨行前囑部將曹咎謹守成皋，遇漢軍挑戰，切勿應戰，只須阻止其東進即可。漢四年冬十月，劉邦乘項羽東去兵力薄弱之機，反攻成皋。初時，成皋楚軍堅守不戰。劉邦數次遣人到陣前辱罵，終於激怒曹咎，率部出擊。漢軍乘楚軍半渡汜水之時，全力反擊，斬殺了曹咎，再次奪回成皋，並俘虜了前塞王司馬欣與翟王董翳。乘勝進至廣武(今河南滎陽東北)，幷包圍楚將鍾離昧於滎陽以東。項羽急忙從睢陽回救，漢軍鑑於兵力不足，暫時無力徹底消滅楚軍，於是見好就收，據險堅守。(注：汜水在成皋以東，漢軍從西邊進攻成皋，必是先破成皋，後渡汜水，《項羽本紀》的記載可能有誤。)
漢四年，漢軍據守成皋與廣武，取食於敖倉，與楚軍再次形成對峙。此時灌嬰、曹參等趕赴齊國助韓信攻破了歷城、臨淄，齊王田廣逃到高密。項羽所派增援齊國的號二十萬楚軍也被漢軍消滅，楚將龍且被漢軍陣斬，齊國全境也被漢軍平定。漢四年二月，韓信自立爲齊王。項羽派武涉遊說韓信，勸他反漢爲楚，韓信裝作拒絕。
英布派人進入九江，收復了幾個縣，這個時候，彭越又攻打楚軍的糧道，楚軍糧草不繼，項羽往來奔波，勞苦不堪，士卒疲憊。孤立無援的項羽實在沒有別的辦法，在他手中唯一的一張牌就是劉邦的父親與妻之還在楚營作人質，但項羽用劉邦的老爹要挾劉邦也沒能使之就範。項羽來到廣武，遙望劉邦對他說：“天下的戰亂停不下來，都是因爲你我兩個人，我願意與漢王你身決雌雄，不要苦了天下的父老百姓”。劉邦淡淡一笑道：“我寧願和你鬥智，不能和你鬥力。”並向項羽宣佈他的十條罪狀。項羽惱怒之下，用暗箭偷偷射向劉邦，正中劉邦胸部，劉邦受傷，回到成皋養病。
項羽終究無力挽回楚國的頹勢，戰爭的優勢已完全向漢方傾斜。劉邦病好後，他終於可以放鬆一下了，命令樊噲守廣武，周勃守敖倉，帶上在汜水之戰俘虜的前塞王司馬欣，回到關中，將司馬欣在他的原都城櫟陽梟首，置酒慰問關中父老，四日後，帶領關中兵又回到廣武。
此時，漢御史大夫灌嬰在平定齊國後，南下攻打楚國，掃蕩淮河南北，灌嬰又渡過淮河，攻取廣陵。項羽急忙派項聲、薛公回擊，收復淮北大地，灌嬰北渡淮河，在下邳打敗項聲，將薛公斬首。又平定了淮北，在平陽(今山東鄒縣)打敗楚軍騎兵，並攻下楚國的都城彭城。項羽得知項聲與薛公兵敗，彭城已失，即將陷入絕境的項羽不得不同意“鴻溝協議”，送還劉邦的家人，離開滎陽，向南撤退。成皋之戰以漢勝楚敗而告終。
