八月，刘邦派曹参、韩信奉命开辟北方战场。九月破魏，后九月破代，三年十月击灭赵军主力。刘邦亦遣兵一部渡河水，攻克河内(即怀县，今河南武陟西南)、朝歌(今淇县)、安阳(今安阳南)、邯郸(今属河北)，接应韩信。项羽此时始察汉军意图，几次遣骑兵渡河争夺赵地，均被韩信击退。十二月，被龙且击败的英布潜行至荥阳，协助刘邦防御。

　　项羽全力发动攻势，多次切断甬道，使汉军乏食。刘邦听郦食其之言，欲遣使复立六国贵族后裔，以分散楚军力量，被张良阻止。后纳陈平之谋，遣奸细散布流言，离间项羽上下关系。四月，楚军围困刘邦于荣阳。刘邦于危急之际，始行缓兵计，遣使求和，愿割荥阳以东予楚;继施反间计，使项羽猜忌主要谋士范增，致范增愤然辞去。七月，用将军纪信计，令周苛等坚守城池，以纪信作替身，出东门诈降，自与陈平等趁乱由西门逃离荥阳，经成皋入关。项羽烧死纪信，指挥楚军紧围荣阳，占领刘邦放弃的成皋。刘邦在关中征得新兵，本欲东进，被辕生谏阻，乃依其言引兵经武关(今陕西商南南)出宛(今河南南阳)、叶(今叶县南)，以吸引楚军，减轻荣阳一线汉军压力。项羽率主力南下，汉军坚壁不战。

　　刘邦派灌婴和靳歙深入楚军后方断楚军粮道,灌婴、靳歙进展迅速率骑兵突袭荥阳、阳武到襄邑粮道,另外深入到鲁下,在鲁下大破项冠楚军 ,另让彭越加强对楚后方的袭击，彭越不失所望，击败项声、薛公攻占了要地下邳，直接给楚都彭城造成威胁。刘邦趁机北上大破终公楚军收复汉军放弃的成皋， 而丁复同时也在叶击破楚军。

　　八月，项羽击败彭越，在荥阳彻底弹尽粮绝以凌厉攻势拔荥阳，烹周苛，[7] 进攻成皋。刘邦出成皋北门，渡河水北去。随后汉军再次放弃成皋，楚军拿下成皋后乘势，被汉军阻于巩县(今河南巩义西南)一带。八月，刘邦率原属韩信指挥的汉军临河水北岸，欲与项羽交锋，复纳郑忠之言，深沟高垒，坚壁不战。同时，命韩信在赵地组建新军击齐;遣卢绾、刘贾率兵2万渡白马津(今滑县东)，深入楚地，协助彭越扰楚后方。九月，项羽闻彭越等攻下睢阳(今商丘南)、外黄(今兰考东南)等17城，大惊，复领兵东归。临行，留大司马曹咎守成皋，嘱其谨慎勿战。刘邦欲舍弃成皋以东地区，专力屯守巩县、洛阳。郦食其极力谏阻，劝刘邦乘楚军无暇西顾之机收复荥阳，占据敖仓，攻夺成皋，控制用兵要地，相机破敌。又自荐游说田广，使其附汉。刘邦从其计。四年十月，连续数日遣士兵辱骂曹咎，激其出战。曹咎领兵出城，渡汜水，欲与汉军交锋。刘邦趁其半渡，挥军猛攻，大破楚军，再次收复成皋。曹咎及司马欣、董翳皆自杀。刘邦遂率汉军驻于广武(今荣阳北)，取食于敖仓，并围楚将钟离眜于荥阳。

　　项羽迅速攻下梁地十余城，得知成皋再度易手，急率主力，解荣阳之围，然后屯军广武，与汉相持。十一月，闻楚齐联军覆灭于潍水，乃使说客至齐，游说韩信反汉联楚，三分天下，遭拒绝。八月，项羽得知隶属于韩信的灌婴率部南下，驰骋于彭城附近，虑及己方少食寡助，士卒饥疲，乃与汉盟约：以鸿沟为界，中分天下，东属楚，西属汉。九月，项羽将彭城之战中掳获的刘邦妻、父送还，引兵东归。

　　汉二年(前205年)五月，刘邦退到荥阳一线收集残部。这时，刘邦的部下萧何在关中征售到大批兵员补充前线，韩信也带部队赶来与刘邦会合。汉军得到休整补充后，实力复振，拜灌婴为中大夫，统率骑兵，在荥阳以东大败乘胜追击的楚军，将楚军成功地遏阻于荥阳以东地区，暂时稳定了战局，并派随何说降九江王英布。荥阳及其西面的成皋，南屏嵩山，北临河水(黄河)，汜水纵流其间，为洛阳的门户，入函谷关(今河南灵宝东北)的咽喉，战略地位十分重要。自次年四月起，汉、楚两军为争夺该地展开了一场旷日持久的战争。

　　汉二年六月， 刘邦派郦食其劝说魏王魏豹降汉，遭到魏豹的拒绝，八月，派曹参与韩信攻打魏国，俘获了魏王魏豹。后九月，汉军平定代国，斩杀了代相国夏说。汉三年十月，刘邦派原常山王张耳收复赵国故地，韩信与张耳一同前往，陈兵井陉，把赵国的主力引向赵国北部，刘邦趁赵国南部空虚，离开荥阳，北渡黄河，攻克河内，从南面进攻赵国，接着攻克了朝歌(今淇县)、安阳(今安阳南)、邯郸(今属河北)，当邯郸失陷，在井陉与汉军对峙的赵军主力进退两难，张耳与韩信在井陉大败赵军，赵将戚将军逃跑至邬县(今山西省介休县)，被曹参斩杀。赵王歇逃到襄国，张耳与韩信追击，刘邦亦从邯郸北上攻打襄国，汉军南北夹击，攻破襄国，杀掉了赵王歇。项羽遣骑兵渡河争夺赵地，被汉军击退。

　　汉三年十二月，韩信与张耳留下在赵国继续作战，刘邦返回荥阳。此前英布被随何策反，项羽派龙且攻打英布，英布战败，与随何回到了荥阳。刘邦召见英布，英布起初不高兴，后来见刘邦安排的好，英布又高兴起来，使人返九江收兵，使者人缘不错，收拢数千人归汉，刘邦也分兵给了英布，然后一路到成皋。

　　刘邦据守荥阳，取敖仓之食，与项羽对峙，双方进入相持状态。项羽多次派兵切断汉军的粮道，汉军粮草供应不上，刘邦遣使与项羽求和，愿割让荥阳以东给予楚国，项羽不同意。刘邦采用陈平之计，遣奸细散布流言，离间项羽君臣之间的关系，范增遭到项羽的猜忌，愤而离去。

　　为了打破荥阳对峙的僵局，刘邦派靳歙与灌婴攻打楚军的粮道。 靳歙切断了楚军从荥阳至襄邑的粮道，灌婴切断了楚军阳武至襄邑的粮道，命令靳歙与灌婴离开荥阳，越过梁地，与彭越联合，攻打楚国后方的鲁县(今山东曲阜)，鲁县与齐国交界，又与彭越毗邻，是楚国的北部门户，战略意义重大。

　　由于调走了灌婴与靳歙两支汉军精锐，刘邦在荥阳与项羽艰难对峙。汉三年六月，韩信与张耳已平定赵国的反抗余波，南下至河内修武，接应刘邦。汉三年七月，刘邦令御史大夫周苛、枞公、魏豹等人守荥阳，离开荥阳北渡黄河，来到修武，命令张耳镇守赵国，拜韩信为相国，并调集原属韩信与张耳的军队，打算回到荥阳支援前线作战。此时项羽以荥阳发起猛烈进攻，周苛等人不能抵挡，项羽攻破荥阳，杀了御史大夫周苛，并俘虏了韩王信。刘邦欲回到荥阳与项羽交战，郑忠劝谏刘邦，避开项羽的锋芒，驻扎在河内小修武，不与项羽交战，刘邦采纳。

　　此时，灌婴与靳歙在鲁县打败了项冠，[4] 得知荥阳已失，靳歙南下攻打楚国腹地以牵制项羽，灌婴率骑兵返回前线增援，在燕县(今河南延津东北)打败楚将王武，又在白马津打败楚将桓婴，过白马津渡黄河，到达河内与刘邦会合，护送汉王刘邦南渡黄河回到洛阳，此时项羽又拿下了汉军放弃的成皋，到达洛阳附近的巩县，双方在巩县交战，楚军大败，不能继续。

　　刘邦在巩县遏制了楚军的攻势后，乘胜追击，意图夺回成皋，楚军坚持皋险要，汉军攻之不下，刘邦打算放弃进攻成皋，退守巩县与洛阳。谋士郦食其劝阻刘邦，不要退却，并向刘邦说明敖仓的重要性，放弃成皋与荥阳就意味着放弃敖仓。此时楚军后方受到靳歙的牵制，不能全力攻打敖仓，劝刘邦务必加紧进攻成皋，收复荥阳，并坚守敖仓。并自请出使齐，劝说齐王田广降汉。

　　刘邦非常赞同郦食其建议，让他出使齐国，同时派遣灌婴往邯郸调回一部分韩信镇守赵地之军回到前线，坚守敖仓，并以灌婴接任周苛的御史大夫之职。

　　郦食其不辱使命，以三寸之舌成功劝说齐王归降。齐王同意归降于汉，撤去历城的守军，示无反意，并与郦食其纵酒庆祝。

　　靳歙在鲁县打败项冠后，攻打楚国的腹地，此时攻克了缯县(今属山东苍山县)、郯县、下邳、蕲县、竹邑，几乎包围彭城。如果不出意外，平定了楚国后方的靳歙再从东面进攻，加上彭越的配合，攻打项羽的背后，据守荥阳与成皋的项羽必将被汉军包抄，夺回荥阳与成皋指日可待。但此时发生了一件令刘邦意想不到的事：韩信从灌婴口中得知刘邦已失荥阳与成皋，洛阳危急，于是擅自攻打齐国撤去防守的历城，齐王大怒，以为是郦食其出卖了他，将郦食其烹杀，急忙派齐军再次防守历城，韩信不能攻下。

　　韩信攻打齐国，齐国叛汉，刘邦被迫抽调汉军主力以武力平定齐国，派灌婴、曹参、傅宽、柴武等汉将赴齐助韩信攻打齐国。这样一来，失去荥阳与成皋的不利局面雪上加霜，攻打楚国后方的靳歙也不得不放弃进攻，回到巩县抵挡项羽。齐王不得已向宿敌楚国求援，项羽为了壮大自己考虑，也派龙且率20万楚军支援齐国。

　　项羽占据成皋天险，与汉军在巩县对峙，如果汉军再失巩县，洛阳也将不保。所幸敖仓还在汉军的掌控下，刘邦派人坚守巩县的同时，命令周勃、程黑、郭蒙等坚守敖仓，刘邦自己则驻军河内小修武(今属河南焦作)，指挥全局，依黄河北岸驻守，封锁黄河渡口，以阻止楚军攻入河内平原，为了重新取得战略上的优势，汉军必须夺回成皋。但汉军的主力都用于攻打齐国了，兵力不够，为了补充兵源，调集一切可以团结的力量，刘邦派使者发往燕国，请求援助，燕王臧荼派温疥与昭涉掉尾率燕军助汉。彭越在梁地，可以对项羽的后方发起进攻，牵制项羽，使项羽不能首尾相顾。刘邦又命令刘贾与卢绾率领二万人渡过白马津，与活跃于楚军后方的彭越军配合，烧掉楚军的粮草。在燕县以西打败楚军，攻占睢阳(今河南商丘西南)等17座城池，项羽亲自攻打彭越与刘贾，留大司马曹咎守成皋，临行前嘱部将曹咎谨守成皋，遇汉军挑战，切勿应战，只须阻止其东进即可。汉四年冬十月，刘邦乘项羽东去兵力薄弱之机，反攻成皋。初时，成皋楚军坚守不战。刘邦数次遣人到阵前辱骂，终于激怒曹咎，率部出击。汉军乘楚军半渡汜水之时，全力反击，斩杀了曹咎，再次夺回成皋，并俘虏了前塞王司马欣与翟王董翳。乘胜进至广武(今河南荥阳东北)，并包围楚将钟离昧于荥阳以东。项羽急忙从睢阳回救，汉军鉴于兵力不足，暂时无力彻底消灭楚军，于是见好就收，据险坚守。(注：汜水在成皋以东，汉军从西边进攻成皋，必是先破成皋，后渡汜水，《项羽本纪》的记载可能有误。)

　　汉四年，汉军据守成皋与广武，取食于敖仓，与楚军再次形成对峙。此时灌婴、曹参等赶赴齐国助韩信攻破了历城、临淄，齐王田广逃到高密。项羽所派增援齐国的号二十万楚军也被汉军消灭，楚将龙且被汉军阵斩，齐国全境也被汉军平定。汉四年二月，韩信自立为齐王。项羽派武涉游说韩信，劝他反汉为楚，韩信装作拒绝。

　　英布派人进入九江，收复了几个县，这个时候，彭越又攻打楚军的粮道，楚军粮草不继，项羽往来奔波，劳苦不堪，士卒疲惫。孤立无援的项羽实在没有别的办法，在他手中唯一的一张牌就是刘邦的父亲与妻之还在楚营作人质，但项羽用刘邦的老爹要挟刘邦也没能使之就范。项羽来到广武，遥望刘邦对他说：“天下的战乱停不下来，都是因为你我两个人，我愿意与汉王你身决雌雄，不要苦了天下的父老百姓”。刘邦淡淡一笑道：“我宁愿和你斗智，不能和你斗力。”并向项羽宣布他的十条罪状。项羽恼怒之下，用暗箭偷偷射向刘邦，正中刘邦，刘邦受伤，回到成皋养病。

　　项羽终究无力挽回楚国的颓势，战争的优势已完全向汉方倾斜。刘邦病好后，他终于可以放松一下了，命令樊哙守广武，周勃守敖仓，带上在汜水之战俘虏的前塞王司马欣，回到关中，将司马欣在他的原都城栎阳枭首，置酒慰问关中父老，四日后，带领关中兵又回到广武。

　　此时，汉御史大夫灌婴在平定齐国后，南下攻打楚国，扫荡淮河南北，灌婴又渡过淮河，攻取广陵。项羽急忙派项声、薛公回击，收复淮北大地，灌婴北渡淮河，在下邳打败项声，将薛公斩首。又平定了淮北，在平阳(今山东邹县)打败楚军骑兵，并攻下楚国的都城彭城。项羽得知项声与薛公兵败，彭城已失，即将陷入绝境的项羽不得不同意“鸿沟协议”，送还刘邦的家人，离开荥阳，向南撤退。成皋之战以汉胜楚败而告终。