五月，汉军在荥阳集中，楚军与之战于荥阳以南的京、索（均在河南荥阳东南）之间。汉军骑兵破楚骑兵于荥阳以东，楚军遂不能过荥阳以西。
汉王刘邦三年（公元前204年）十二月，项羽开始多次强攻荥阳，荥阳危急，四月刘邦遣使请和，提议荥阳以西属汉。项羽准备同意，范增反对说：“汉易与耳，今释弗取，后必悔之。”项羽乃急攻荥阳。刘邦留韩王信等守荥阳，自己逃往成皋。此时，被刘邦部署于彭城附近的彭越军，以游兵击楚，已断其粮道，并击破楚军项声、薛公部于下邳，彭城告急。项羽只好留终公监视成皋，自率主力回击彭越，这是项羽第一次被汉军调动。刘邦乘机进攻，击破了终公军。
项羽击破彭越军后，率军西返，第二次强攻荥阳，不久城破，虏韩王信，遂进围成皋。刘邦收韩信军，还保巩县。成皋为项羽所占，双方对峙于成皋、巩县间。
八月，刘邦派军增援彭城，攻下睢阳（河南商丘南）、外黄（河南兰考东南）等十七城，楚军与彭城的联系被切断。项羽留曹咎守成皋，并告诫说：“谨守成皋，即汉王欲挑战，慎勿与战，勿令得东而已，我十五日必定梁地，复从将军。”遂自率主力还击彭越，收复了陈留、外黄、睢阳等城。这是项羽第二次被汉军调动。
刘邦见项羽被调动，遂用计激曹咎渡汜水进攻汉军，汉军乘其半渡而击大破之，曹咎自刎而死，汉军收复成皋，围楚将钟离昧于荥阳东。项羽得知成皋被攻破，急引兵西返，在广武与汉军对阵。数月后楚军粮少，项羽告刘邦：“今不急下，吾烹太公（刘邦之父于彭城大败时为楚军所获）！”刘邦未为所动，项伯亦告项羽“虽杀之无益”，项羽只好作罢。项羽在阵上对刘邦说：“天下匈匈数载者，徒以吾两人耳。愿与汉王挑战，决雌雄，毋徒苦天下之民父子为也！”刘邦却回答说：“吾宁斗智，不能斗力。”并列数项羽十大罪状。项羽大怒，楚军伏弩射中刘邦胸，刘邦走入成皋。
韩信于汉王刘邦四年（公元前203年）十月间破临淄，齐王走高密，向项羽告急。项羽派龙且率军号称二十万救齐，在潍水被韩信击败，龙且阵亡。后方广陵（江苏扬州）等地区，也遭到韩信骑兵的袭扰，粮草断绝。
项羽在龙且战死后，派武涉策动韩信反汉，未能成功，被迫与刘邦订立和约，中分天下，鸿沟（河南荥阳东北）以西属汉，以东属楚。九月间项羽引兵东归。
项羽在彭城大破汉军后，没有立即转入战略追击，直至汉王刘邦三年十二月，才以主力强攻荥阳，给了刘邦半年多时间，使其得以重新调整部署，加强防御设施。项羽虽然发动了两次大规模强攻，但由于汉军依托坚固的城垣、壁垒，部分地抵消了项羽的突击力，所以均未成功，特别是汉军彭越部在楚军后方开辟了新的战线，攻略城池，切断粮道，威胁彭城，使项羽不得不停止西线的攻势，引兵东击彭越。这不仅使刘邦有了喘息时间，而且还给了他进行局部反攻的机会。项羽被迫不得不再次奔回西线。项羽军虽有强大的突击力，但西不能突破坚固防御地带，东不能捕捉住来去无定的彭越军，只好在东西两线之间疲于奔命，极大地消耗了自己的战斗力。
从战略上看，除未实施战略追击是严重失策外，当韩信攻略魏、代、赵时，项羽未能派出一定兵力支援诸国也有错误，致使韩信得以囊括整个北方，而自己却陷入汉军包围之中。
造成这种不利局面的原因，与项羽政治上的孤立和不善用人有密切关系。项羽封了那么多诸侯王，但一个也未能起到应有的作用，甚至项羽的亲信战将英布，也由于数被项羽责备而让刘邦拉了过去。项羽麾下的大将，如龙且、曹咎、钟离昧等，也都不是刘邦、韩信的对手，惟一的一个谋士范增，也因信任不专而留不住他。