怀王之约制定于二世二年后9月。当时，战国六国都已经复国，秦与六国对抗的后战国局面再一次出现。各国王政，除僻远的燕国外，全部实现了王政复兴。楚怀王熊心、赵王赵歇、齐王田巿、魏王魏豹、韩王韩成，都是故国旧王族。怀王之约，一方面是对于已经形成的天下政局的肯定和确认；另一方面，在肯定了陈胜起兵以来六国复兴的同时，也对陈胜所开创的平民王政做了批判和修正，力图通过扶持和肯定各国的王政复兴，杜绝各种实力人物擅自称王的野心。对于群雄并起、豪杰英雄立功求进的愿望，怀王之约做了正面而富有诱惑的引导：不分贵贱，不论国别，首先攻入关中灭亡秦国者为秦王；对于最有野心和实力的人物，用秦国王位虚位以待。怀王之约，作为公之于众的天下公约，成为反秦阵营的行动纲领和计划蓝本，对未来历史影响极大。
怀王之约制定的时候，正是秦军两大主力会师河北，章邯破邯郸、王离围巨鹿的时候，赵国的求援使者连连不断抵达彭城。楚国是反秦的首事国，反秦阵营的盟主。吸取战国末年各国互不相救、被秦各个击破的教训，怀王政权做出以楚军主力渡黄河援助赵国的决定。同时，另外派遣一支偏师部队，西向进攻关中，直捣秦都咸阳。怀王分兵两路的决定，引动项羽、刘邦和宋义三位英雄的登场。
自从周文军入关失败以后，秦军先后攻灭张楚陈胜、赵王武臣、魏王魏咎、齐王田儋、楚将项梁，收复了三川、颍川、南阳、陈郡、东郡、上党、太原、邯郸等广大地区，形势一片大好。黄河以南、淮河以北地区的反秦军已经退守到泗水、薛郡一线。黄河以北地区，章邯军与王离军两支秦军主力会师，围困巨鹿城，正准备一举攻灭赵国。秦国首都关中地区，日渐远离战事，已经内外重新设防，再次成为易守难攻的战略后方。在这种形势下，直接西进、深入秦国后方攻取关中，无异于虎口夺食，诸路楚军将领，没有人看好这项任务。然而，项梁战死后，项羽仇恨秦国益甚，执着于灭秦复仇。他是勇敢无畏的战士，主动请缨，愿意率领本部人马，奉怀王之约，西进攻取关中。
项氏立怀王，只是起到拉拢人心的作用，所谓“尊王攘夷”的传统自古就有。而怀王却无半点实权，他也想解脱项氏对自己的束缚，而宋义就是他积极拉拢的力量。
宋义率众北上救赵，采取的策略是渔翁政策，即等待章邯与赵王双方消耗得差不多了，自己在上去收拾残局。宋义于是不仅不加快救援进度，还成天喝酒高乐，至安阳，耗了46天仍不前进。项羽得知后，直接冲宋义的大帐，一刀把宋义的人头砍下来。然后对众将说，“宋义谋反，我奉楚王密令干掉他了。”
项羽杀掉宋义，诸将慑服，“首立楚者，将军家也；今将军诛乱。”共识很快就达成了。然后大家拥立项羽做“假上将军”，怀王听到报告，心下肯定是愀然不乐，但还是马上把正式任命书下发了。项羽的威势让怀王不得不端坐在傀儡的位子上。
项羽杀宋义，一举两得。首先，排除了怀王和宋义结盟夺取领导权的可能性，“首立楚者，将军家也。”其次，他夺权以后，即可以率众出击，楚军破釜沉舟，解赵之围，重创秦军，一战扭转了战略格局。
项羽杀了不肯积极前去解巨鹿之围的宋义之后，率领楚军渡漳河，去援救赵军。渡河后，他命令部队把釜甑砸破，把船凿沉，每人只带三天的干粮，表示此去将决一死战，不打胜仗决不生还，“破釜沉舟”这一典故就是从这里来的。楚军将士与秦军打仗时，因无路可退，只有拼命搏斗，死里求生，人人勇猛异常、喊杀声震天动地。当时各地诸侯带来的援赵兵马，都惧怕秦军，不敢出击，筑起壁垒，在一旁观战。楚军经过九次激战，九战九胜，把秦军主力打得大败，杀死秦将苏角，俘虏王离，迫使涉间自杀，解了巨鹿之围。巨鹿之战是秦末农民起义战争中规模最大，对消灭秦王朝具有决定性意义的一次战役。项羽在这次战役中打出了威风，打出了名气，各路诸侯都非常敬佩他，自愿服从他的统一指挥。
项羽统率各路诸侯军，继续追击章邯的秦军。同年7月，章邯见秦王朝大势已去，在殷墟（今河南省安阳西北小屯）率领余众二十多万人投降了项羽。至此，秦军主力全部被消灭。
当项羽率军进入关中时，刘邦已先期进据咸阳。由于楚怀王有约在先，“先入关者王之”，刘邦理应王关中。项羽乘胜西进，迅速抵达函谷关。这时他听说关上有人把守，不让进，又听说沛公已攻入咸阳，于是大怒，立即率军破关而入，一直打到戏地。项羽下令军中说：“明晨大家饱餐战饭，给我打败沛公军。这时项羽拥兵40万，驻扎在新丰鸿门，刘邦只有10万兵，驻扎在灞上，处于明显的劣势。
刘邦采用张良的计策，亲赴鸿门，向项羽赔罪，并表示愿意服从。项羽一见刘邦示弱，一腔怒气也就烟消云散了，并设宴款待刘邦。酒宴间，范增多次暗示项羽杀掉刘邦，项羽终不理睬。范增又安排武士项庄进去，以舞剑助酒为名，借机杀掉刘邦，没想到又被张良的朋友、好心的项伯看破机关，他生怕出事，便拨出剑来与项庄对舞，保护刘邦。刘邦的部将樊哙豪气冲天，进帐向项羽陈述刘邦的功绩，项羽佩服他的英勇，把注意力都转到他身上来，竟然让刘邦趁机溜出了虎口。范增想杀刘邦的计谋终于未能实现，气得他大骂项羽：“竖子不足与谋，夺项王天下者，必沛公也，吾属今为之虏矣。”《史记·项羽本纪》
公元前207年，刘邦首先进入咸阳，接受秦王子婴的投降。其后项羽大军抵达，杀了已经投降的秦王子婴，烧了阿房宫。
有个叫蔡生的劝他定都在关中，可他见秦的宫殿烧得残破不全，又思念自己的故乡，因此没有采纳蔡生的意见。并说：“富贵不归乡，好比穿一身锦绣衣裳夜行，有谁知道呢？”后来蔡生暗中对人说：“人们说楚人沐猴而冠，果然如此！”意思是楚人打扮得像个人物，而实际不是。”项羽听到这话，把蔡生抓了来滚了油锅。
项羽定都彭城，尊楚怀王为义帝。然后大封诸侯王，封刘邦为汉王，管辖汉中，又封秦将章邯为雍王、董翳为翟王、司马颀为塞王，三分关中地区，以封锁刘邦，不让刘邦离开汉中，插足中原。
虽然项羽希望怀王封他为王，但怀王的答复是“如约”，项羽则自立为“西楚霸王”，不久后就把这位义帝徙至长沙郴县。义帝被逼起行，在途中被项羽暗中命令英布等人杀害。此后这一事件也成为汉王刘邦向霸王开战的理由之一。
由于项羽分封不公，引起诸侯和功臣的不满。分封不久，握有重兵而未得封王的田荣首先在齐地起兵，自立为齐王。项羽发兵攻打田荣。刘邦明修栈道，暗渡陈仓进兵关中，消灭了项羽所分封的关中三王，接着挥师东下，与项羽争夺天下。于是项羽和刘邦又进行了四年战争，史称“楚汉之争”。
日后，刘邦攻击项羽时，首先以讨弑逆怀王心为出师之名；历数项羽十大罪状中，有六条与怀王心有关。讨平天下后，又立即下诏曰：“楚地已定，义帝亡后，欲存恤楚众，以定其主。齐王信习楚风俗，更立为楚王。”
比之刘邦日后为陈胜等无后先贤定守冢人户，他早年的旧主楚怀王心的地位要高出众人甚多。这或许与楚怀王心的身份与作用是相称的。虽然这位义帝在位时实际上与政治傀儡无异，但对刘邦而言，意义却完全不同。