项梁迎战不利，于是退军到薛地，这时有个相貌平平的军长骑着瘦马带着一小队人马前来归附。一看不是别人，正是大名鼎鼎的刘邦。这时，义军已发展到10万余人。
项梁得知陈胜败亡的消息，接受范增和周伟的建议，拥立死于秦国的原楚怀王之孙熊心为王，仍称楚怀王，作为反秦号召。项梁自称武信君，掌握军政大权。可是好景不长，九月，章邯得到补充，大破义军于定陶一带。这一仗打得十分激烈，项梁战死，项梁死的很悲壮，项羽目睹了叔父的死去，心中的怒火熊熊燃烧。
章邯击败项梁于定陶后，认为楚地兵不足忧，即率军北上攻赵。同年九月，秦军攻占赵都邯郸。赵王退守巨鹿。章邯令王离、涉间率20万人围攻巨鹿，自率20万人屯于巨鹿南之棘原，筑甬道至巨鹿城外，补给王离军。赵王几次派人向彭城楚军求救。楚怀王任命宋义为上将军、项羽为次将军，率主力北上救赵；遣刘邦率一部分兵力乘关中空虚无备，进军咸阳。冬十一月，宋义率军抵安阳，滞留46日，企图坐观秦、赵相斗，以收渔人之利。时天寒大雨，军中缺粮，士卒冻饿，且巨鹿危在旦夕。十一月，项羽多次建议立即北上救赵，宋义不听，反下令军中，不从命者皆斩，而整天饮酒高会。项羽就杀了宋义。楚怀王改命项羽为上将军，率军救赵。当时，巨鹿兵少食尽，赵将陈余及燕齐等国救兵畏惧秦军，不敢出战。
十二月，项羽命令英布、蒲将军率2万余人渡过漳水救赵，取得初战胜利。陈余复请救兵。于是，项羽亲自率主力渡河，下令凿沉船只，打破“釜甑”，每人只携三日口粮，以示誓死决战之心。至巨鹿，与秦军相遇，九战，大破秦军，绝其甬道，击杀秦将苏角、俘虏王离。诸侯军等敬服，拥戴项羽为诸侯上将军。之后，项羽乘胜追击至漳水南岸，屡次击败秦军。章邯求和未成，率军后撤。项羽以蒲将军追击，至三户津，再破秦军。章邯率军南退，项羽又亲率楚军及诸侯军追击，大破秦军于汉水上。章邯连战失利，遭秦二世指责，进退无路。七月，章邯率20万秦军降楚。至此，秦军主力全部被歼。项羽即长驱入关。
同期，刘邦率军由砀出发西进。刘邦采用灵活机动的战术，避免攻坚，乘虚而进。攻昌邑未下，转兵向西攻破陈留，随后，向南迂回，出辕关险道，攻克宛城，沿途不断发展壮大队伍。八月，用张良计，收买秦将，乘其不备，袭破通往关中的重要门户武关。是时，秦军主力已被项羽歼灭，秦统治集团内部矛盾激化。丞相赵高逼杀二世，立子婴为秦王。九月，子婴杀赵高，派兵据守蛲关。刘邦绕过关，与秦军战于蓝田，三战三胜，遂破之。军至霸上，直逼咸阳。汉高帝元年十月，秦王子婴出降。刘邦进占咸阳，秦亡。
回过头来，再说项羽。巨鹿之战后他心急火燎地调头向咸阳赶来。半路上担心刚刚归降的秦军反叛，在新安杀了新降的20万秦卒。新安不安，成了20万人的殇逝之地。这20万人都是关中子弟，关中百姓家家挂白，哭声震天。他们恨透了项羽，也恨透了章邯。恨项羽残暴，恨章邯投降。刘邦也畏惧项羽，项羽手下40万大军，刘邦此时只有10万，4比1，一旦撕破脸，汉军必是完败。公元前207年12月，项羽入函谷关，驻军新丰鸿门。刘邦不敢再住秦宫，移军霸上。这移军虽是刘邦放低了姿态，对项羽示了弱，但此时项羽心中却对刘邦存了芥蒂。毕竟先入关中的是刘邦，按照之前在彭城的约定，刘邦该当关中王。可这关中王不同于其他诸侯王，关中是秦王都所在地，关中王自然意义非凡。
鸿门位于骊山脚下，原是个名不见经传的小村子，因两千多年前，项羽在此举办的一场宴会而闻名天下。鸿门之宴，宴无好宴。范增原是劝项羽在这次宴会上杀掉刘邦以绝后患，宴会既开，杀意已露，项庄舞剑，意在沛公。不知是因樊哙在酒宴上生吃了一只猪腿，令项羽顿觉壮士生猛，还是记着之前曾与刘邦共同对敌的情谊，项羽在宴会中途竟改变了主意，放刘邦离去。项羽在最好的时机没有杀掉刘邦，当断不断，放虎归山，再找机会可就难了。鸿门宴中，项羽虽然没有杀刘邦，但是二人心中都知道，从前的同袍之义到此已走到尽头，日后再见，即为死敌。同月，项羽火烧秦王宫，屠咸阳城，杀子婴。秦都的壮丽繁华，历代秦王的风云往事，皆随着咸阳城的滚滚浓烟腾上云天，渐渐被风吹散，再无踪迹。
此时的项羽正处在人生巅峰，20多岁的青年靠着无敌的武力挣到了无上的权利。他志得意满，目空一切。他原本没权利以诸侯的身份去分封诸侯，此时的天下共主名义上还是楚怀王，但这些名义道义在项羽心中狗屁不如，他封自己为霸王，便准备以霸王之名行霸道之事。项羽没有按照约定封刘邦为关中王，而是把刘邦一脚踢到蜀郡，还是项伯帮刘邦说好话，项羽才把汉中施舍给他，封刘邦做了汉王。当初关中王的约定像一枚毒针一样扎在项羽的心中，即使将刘邦远远踢开也不能释怀。他将关中一分为三，任命秦朝的三名降将章邯、司马欣和董翳为王，将刘邦包围住。秦朝的三名降将分治关中，成为“三秦“的由来。而项羽分封的的其他诸侯，大都在日后的楚汉战争中或降或亡，几个起伏便湮灭在历史的波涛中，有的甚至来不及翻出些许浪花来。
公元前206年4月，诸侯陆续回到封地。四个月后，楚汉战争爆发。