整顿了军队以后，项梁接连打了几个胜仗，打败了秦朝大将章邯。于是放松了警惕。章邯重新补充了兵力，趁项梁不防备，发动了猛烈的反扑。项梁在战斗中被杀了。
秦二世三年（公元前207年），秦将章邯派秦将王离把巨鹿包围起来，自己带领大军驻扎在巨鹿南面的棘原。他还在棘原和巨鹿之间修筑了一条粮道，给王离军运送粮草。义帝楚怀王派宋义为上将军，项羽为副将，率起义军救赵王歇。宋义按兵不动，在安阳一停就是四十六天。项羽耐不住性子，去跟宋义说：“秦军包围了巨鹿，形势这样紧急，咱们赶快渡河过去，跟赵军里外夹击，一定能够打败秦军。”
宋义说：“我们还是等秦军和赵军决战以后再说。”他又对项羽说：“上阵跟敌人交锋，我比不上你；要说坐在帐篷里出个计策，你就比不上我了。”
项羽说：“现在军营里没有粮食，但是上将军却按兵不动，这样不顾国家，不体谅兵士，哪里像个大将的样子。”
第二天，项羽趁朝会的时候，拔出剑来把宋义杀了。他提了宋义的头，对将士说：“宋义背叛大王（指楚怀王），我奉大王的命令，已经把他处死了。”
杀死宋义后，项羽夺得军机。领导起义军渡过漳水，破釜沉舟，只带三天干粮，表示血战到底的决心。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，杀死秦将苏角，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。
巨鹿大战后，项羽实际上成了各路反秦军的首领。