陈胜、吴广牺牲后，项梁召集各路义军在薛（今山东滕县东南）计议，并接受谋士范增建议，立楚怀王之孙为王，仍称楚怀王。接着项梁率领起义军大败秦军于东阿（今山东阳谷东北），刘邦、项羽也在城阳（今河南范县城濮城东南）、雍丘（今河南杞县）等地打败秦军，斩杀秦三川守李由。
项梁在取得一系列胜利后骄傲轻敌，被章邯偷袭以至牺牲。章邯破项梁军后，认为楚地农民军主力已被消灭，于是就渡河北上，移兵邯郸，攻击以赵歇为王的河北起义军。赵歇退守巨鹿（今河北平乡西南）。
秦朝派王离率几十万边防军包围巨鹿，章邯在巨鹿以南筑甬道，以运粮供给王离军。赵歇粮少兵单，危在旦夕，乃遣使求救于楚怀王。楚怀王与起义军首领在彭城（今江苏徐州）召开紧急军事会议，决定分兵两路：一路由刘邦率领向西直指关中。另一路以宋义为上将军，项羽为次将，范增为末将，率起义军主力北上救赵。秦二世三年十月，行至安阳（今山东曹县东），宋义屯兵46日不进，欲坐观秦赵相斗。十一月，项羽斩宋义。怀王乃任命项羽为上将军。
公元前207年12月，项羽率起义军到达巨鹿县南的漳水，立刻派遣英布和蒲将军率2万义军渡过漳水，援救巨鹿，初战告捷。接着，项羽率领全军渡过漳水，命令全军破釜沉舟，只带三日粮，以示不胜则死的决心，以迅雷不及掩耳之势直奔巨鹿，断绝秦军粮道，包围了王离军队。
项羽的决心和勇气，对将士起了很大的鼓舞作用。楚军把王离的军队包围起来，个个士气振奋，越打越勇。一个人抵得上十个秦兵，十个就可以抵上一百。经过九次激烈战斗，活捉了王离，其他的秦军将士有被杀的，也有逃走的，围巨鹿的秦军就这样瓦解了。
当时，各路将领来救赵国的有十几路人马。可是他们害怕秦军强大，都扎下营寨，不敢跟秦军交锋。等到项羽打垮了秦军，请他们到军营来相见的时候，他们都跪在地下爬着进去，连头也不敢抬起来。从此，项羽实际上成了各路反秦义军的首领。
巨鹿解围后，章邯军退至棘原（巨鹿南），项羽军驻漳水之南，两军对峙，秦军的连续失败使章邯不见信于秦朝廷。项羽抓住时机，派蒲将军击秦军于漳水南岸。接着又亲率大军破秦军于汉水。章邯固守棘原与项羽对峙，派部将司马欣向秦廷告急求援。当时，秦廷赵高专权，猜忌将相，欲杀司马欣。司马欣潜回棘原，劝章邯早图良谋。章邯在降楚、退军之间犹豫不决。项羽派蒲将军率军日夜兼程渡三户津（古漳水渡口，今河北磁县西南），断秦军归路，自率主力大败秦军。在项羽的沉重打击下，章邯进退无路，不得不于公元前207年7月在洹水南殷墟（今河南安阳）率其部众20万投降项羽。
巨鹿之战是秦末农民战争所取得的一场巨大胜利。它基本上摧毁了秦军的主力，扭转了整个战局，奠定了反秦斗争胜利的基础。而项羽以三万破三十万，如此悬殊的战果令无数后世人对其充满了好奇与景仰。
巨鹿之战是历史上有名的以少胜多的战例，项羽之所以能取得以少胜多的巨大胜利，其原因除了项羽进行的是反抗秦暴政的正义战争外，项羽在战术上成功地采用了我国兵法上传统的“置之死地而后生”的战法，是一个重要原因。
项羽（公元前232—前202年），名籍，字羽，原楚国人。出生于名将世家，精通兵法，武艺高强。因祖父项燕为秦所杀，而立下反秦之志。公元前209年与叔父项梁杀秦会稽郡守殷通，在吴（江苏苏州）起义，并击败秦将章邯。项梁战死后，章邯围困赵地义军。项羽杀死宋义，率军渡过漳水，在巨鹿之战中摧毁秦军主力。接着挥师西进，攻破函谷关，屯军灞上，举行鸿门宴，自称西楚霸王，大封诸侯，俨然成为天下的共主。不久，他焚烧咸阳，率军东归，与刘邦展开了长达4年的楚汉战争。后在垓下被刘邦打败，在乌江（今安徽和县东北）自刎。