汉元年（公元前206年）四月，众诸侯都离开戏下，前往各自的封国就位。
项王出关，前往封国。他借口自古以来帝王的位置都要在水流的上游，派人把义帝迁往长沙郴县。义帝的大臣们有点不情愿，想背叛项王。项王于是下达密令，把义帝和那些大臣们杀死在大江中。项王没有让韩王前往封国，而是把他带到彭城，先找了个借口废了韩王，后来又杀了他。燕王臧荼前往封国，驱逐了辽东王韩广，兼并了辽东的土地。
齐将田荣觉得很不公平，论战功，他们有资格封王，就是没有完全听从项羽的调遣，所以就没有被封。再说项羽刚封完王，就开始不履行诺言，田荣更加生气，于是纠集力量，起兵反叛项羽。他首先率兵击败齐王田都，又击杀胶东王田市，紧接着向西进攻，杀了济北王田安，兼并了三齐的土地，自立为齐王。
田荣以齐王的名义，任命彭越为将军，让他在梁地反击项王。这时，陈馀派人去见田荣，对他说：“项羽虽自称西楚霸王，主持分封，但处理事情一点都不公平。他把贫瘠的土地都分给以前的诸侯王，好的地方都留给自己的文臣武将，还把原来的诸侯王从封地上撵出去，这样做也太不应该了！听说您的军队正在反抗楚军，我也想贡献一点微薄的力量。希望您能给我一些军队，让我去进攻常山，讨回原来赵王的封地。我愿意把我的国土作为齐国的屏障。”田荣答应了陈馀的请求，立即派军队前往赵国，和陈馀的军队一起打败了常山的守军。常山王张耳逃往汉中，归附汉王。陈馀把赵王接回赵地，赵王不胜感激，封陈馀为代王。这个时候，刘邦的军队也已经平定了三秦。
项王听说汉王兼并了关中所有地区，而此时齐国和赵国又起兵反叛他，十分愤怒。他马上立郑昌为韩王，命令他去攻打汉军。汉王派张良去攻打韩国，张良带了封信给项王。信上写道：“您封给汉王的土地，不是他应该得到的那部分，汉王的封地应该是关中地区，如今您要是履行‘先入关就为关中王’的约定，我们就立即撤兵，否则，就别怪我不讲情面！”接着张良又把齐梁两国准备联合起来反叛的的书信也交给了项王。项羽看后，就放弃了西进攻打刘邦的计划，下令攻打齐国。项羽向九江王黥布征集兵马，黥布借口生病，拒绝前来，只派了几千人给项王。项王于是对他产生了怨恨。
汉王二年（公元前205年）冬，项羽向北进攻到城阳，打败了前来抵抗的田荣的军队。田荣被迫逃到平原，结果被平原人杀死。楚军继续向北进军，把齐国的城池夷为平地，放火焚烧居民的房屋，在齐国的境内烧杀抢掠。田荣的弟弟田横听说后，非常气愤，就聚集人马，在城阳抵抗楚军。项王的军队在此与田横的军队交战了数日，还是攻不下来。
没过多久，汉王率领五路诸侯的军队共有五六十万人，讨伐楚国。项王得到消息后，就命令手下大将继续攻打齐国，自己亲率精锐部队3万多人反击汉军。四月，汉军攻进彭城，夺取了大量的财宝和美女，于是每天饮酒作乐，不思战事。这时项王带领军队赶回，汉军溃败而逃，死伤10多万人。楚军继续追杀，汉军被迫后退，直到睢水河岸。楚军强攻，汉军许多士兵被杀，又有10多万人落水而死。士兵们的尸体堵塞了河水，睢水一度无法流通。楚军把汉王紧紧包围。
正在这时，一阵狂风吹来，树枝被刮断，房屋的顶子也被掀起来，飞沙走石，天昏地暗。大风朝楚军迎面扑来，楚军大乱。汉王乘机带领几十名骑兵逃出包围圈。汉王原打算回沛县带上家人逃跑。可项羽早已派人赶到沛县，刘邦家人四散逃亡。汉王在路上遇见了正在拼命逃跑的儿子和女儿，就把他们拉上车。楚军的骑兵在后面紧紧追赶，汉王很着急，几次把两个孩子推下车去，汉王的部下滕公又把他们拉上来。滕公说：“就是再着急，也不能把他们扔下不管啊！”因为滕公的仁慈，姐弟俩才得以保住性命。汉王又派人寻找太公和吕后，结果没有找到，原来他们被楚军抓住，交给了项王。
后来，汉王渐渐汇合散落的将士们，把各路败军都集中在荥阳。汉丞相萧何动员关中地区的民众参加战斗，连老人和小孩都来了。于是汉军重振威风，一举打败了前来追击的楚军。楚军再也无法越过荥阳向西进攻。项王追击汉王，来到荥阳，大大减轻了齐国田横的负担。于是田横收复了齐国的土地，立田荣的儿子田广为王。各诸侯听说汉王在彭城败给项王，就全都背叛汉王，归顺项王。汉军驻扎在荥阳，修通了连接黄河的甬道，通过黄河来获得军用物品和粮食。
汉王三年（公元前204年），项王屡次进攻汉王的甬道，抢夺他们的粮食。汉王无奈，请求与项王和解，并表示愿意割让土地给项王。项王准备接受汉王的请求。这时，范增说：“汉军现在已经疲惫不堪，我们不费吹灰之力就能打败他，你现在不去攻下荥阳，恐怕将来后悔莫及啊！”项王觉得有道理，就立刻包围了荥阳。
项王攻破荥阳，汉王用计在城破前逃出荥阳，来到宛城、叶县。在此他得到九江王黥布的支持，收集散兵游勇，回到成皋防守。
鸿沟划界
汉王四年（公元前203年），项王发兵攻打成皋。汉王、滕公弃城逃跑，来到张耳、韩信的军中。这时，只有一小部分将领跟着汉王突出重围，逃出成皋。
项王攻下成皋，继续向西进攻。汉王派军队在巩县占据有利地形阻击楚军，楚军无法行进。这时彭越带领军队，渡过黄河，攻下了楚国的东阿，杀死了楚将薛公。于是项王带领军队转去攻打彭越。
汉王得到韩信的军队后，想渡过黄河向南进攻，郑忠阻止了他。汉王就在黄河的北岸修筑壁垒据守，派刘贾率军去援助彭越，火烧了楚军的军需物资。项王带领军队向东进军，击破了刘贾的军队，赶跑了彭越。此时，汉王趁机渡过黄河，重新取得了成皋，并在广武驻军，就近取得敖仓的粮草。项王打败了彭越和刘贾，安定了东方，又回过头向西进军，攻下东广武，扎下军营来与汉军隔着广武涧对峙，持续了好几个月。
这期间，韩信已经打败了齐国和赵国，并准备进攻楚国，项王听到消息，派龙且前去迎战。韩信与龙且大战，楚军大败。韩信杀死了龙且，自立为齐王。项王知道龙且被杀后，十分恐慌，就派人去劝说韩信投降楚国，被韩信拒绝。这时彭越的军队又来扰乱，攻占了梁地，断绝了楚军的粮道。项王便带领军队去攻打彭越的军队，临行前，项王告诫留守成皋的大将曹咎：“你们一定要严加防范，汉军要是前来向你挑战，千万不能与他交战，只要不让他们向东进攻就行了，我用15天的时间杀掉彭越，随后就来与你们会合。”安排完毕，项王就带领人马向东进军，攻打陈留和外黄。
刚开始的时候，外黄城还坚守着，没过几天，就守不住了，前来投降项王。项王很生气，就下令集合城中所有15岁以上的男子，想把他们活埋。这时，外黄县令的舍人有个13岁的孩子，来到项王的面前说：“彭越逼迫我们，我们这里的人都害怕他，所以才不得不先假装向他投降，等待您的到来。好不容易把您盼来了，您却要杀了他们，这样百姓怎能真心实意地归附您呢？您要是这样做，那么其他城邑的民众就不会归顺您了！”项王听后觉得很有道理，就听从了这个孩子的建议，赦免了那些外黄人。后来，项王继续向东进发，听说这件事的人们都争相前来归附他。
再说大将曹咎，项王离开后，汉军果然向曹咎挑战。开始的时候，曹咎不予理睬。后来，汉王改变了策略。他知道曹咎性情暴躁，有勇无谋，就一天里几次命士兵向他发起挑战，大骂曹咎像女人一样胆小，躲在城内做缩头乌龟。士兵一连骂了五六天。这下可激怒了曹咎，他不顾项羽的训令，率领军队，渡河前去迎战。可楚军刚渡过一半的时候，养精蓄锐了几个月的汉军就向他们发起了猛烈的进攻，楚军大败。汉军攻进城去，夺取楚军所有的金银财宝。楚国的大将曹咎、董翳和司马欣自知违犯了军令，在河岸上自杀而死。曹咎和司马欣原来都是狱吏，后来因为有恩于项梁，所以项王十分信任他们。这时项王听说军队失败的消息，就立即率兵往回赶。汉王的军队惧怕楚军，听说他们来了，就退到险要的地区据守。
彭越的部队在梁地的往来转战，不停地骚扰。楚军往返奔波，十分疲惫，粮食供应也出现了困难。相反汉军人数众多，粮食充足，占据了绝对的优势。汉王于是派人前去说服项王，请求归还太公和吕后，项王不同意，汉王又派侯公前去劝说，要求和他签订和约，中分天下，把鸿沟以东的地区划归楚国，鸿沟以西的地区划归汉国。项王答应了这个条件，放回了太公和吕后。双方的官兵们听说了这个消息，都高呼万岁。
汉王夸赞侯公说：“他真是一个名副其实的辩士，他在哪里，就会影响哪个国家的大政。”封侯公为平国君。可是侯公却躲了起来，不肯再见。
四面楚歌
项羽和刘邦约定以鸿沟东为界，互不侵犯。之后，项羽就率兵回到东方去了，汉王刘邦也准备罢兵西归。这时，张良和陈平前来劝刘邦说：“如今您已经拥有了大半天下，那些诸侯们也都归附汉国，形势是一片大好啊！而楚军呢？粮草已尽，疲惫不堪，这可是上天安排给您消灭楚国的大好机会啊！您现在要是放了他，就是‘养虎为患’啊！”刘邦想想也是这个道理，就听取了他们的意见。
汉五年（公元前202年），汉王追击项王，军队到达阳夏南边。汉王命令部队驻扎下来，派人和韩信、彭越约定日期，会师固陵，攻打楚军。汉军如期到达约定地固陵，韩信与彭越的军队却迟迟不见。楚军见状，返身攻击汉军。汉军孤军奋战，抵挡不住，被楚军打得落花流水。汉王无奈逃回营垒，深挖壕沟，自行坚守。汉王找来张良问他：“韩信和彭越这些诸侯不守信用，说好和我一起攻打楚军，怎么说变就变了？”张良说：“楚军眼看着就要被消灭了，可是你还没有给他们地盘，他们得不到好处，当然不愿意来了。你说要是仗打赢了就和他们共分天下，他们肯定就会立即出兵。不然，事情就很难预测了！我建议你把陈县以东一直到海滨的地区划给韩信，把睢水以北一直到谷城的土地划给彭越，让他们在为各自的利益，出兵同楚军作战。他们肯定会愿意，这样一来，楚军很快就会被打败！”汉王同意了，派使者前去通告韩信和彭越说：“汉王许诺，你们跟汉王齐心协力，共同攻击项王，消灭楚军之后，陈县往东至海滨一带的地方划归齐王，睢阳以北到谷城一带的地方划归彭相国。”二人一听，十分高兴，马上回报：“我们请求立即出兵围攻楚军。”于是韩信从齐地出兵。刘贾的军队也一同前往，来到垓下。楚国的大司马周殷也背叛楚国，跟从刘贾、彭越的部队到垓下会合。韩信率领30多万士兵独当一面，诸侯的军队兵分左右，汉王领兵在后面，把项羽紧紧围住。
此时，项王在垓下修筑壁垒，驻扎军队，手下的兵士已经不多，粮食也不充足。汉军和诸侯的军队把他们包围得一层又一层。这天夜里，从汉军营地中，传来阵阵楚地的民歌声。项王侧耳一听，不由得大吃一惊，说：“怎么会这样！难道汉军已经全部占领了楚国？不然的话，汉军营中怎么会有这么多的楚人呢？”楚军将士们听到这歌声，也都以为楚地已经被占领了。他们有的为乡音所动，产生共鸣，一下接一下地抹着眼泪；有的思念家乡的父母妻儿，也禁不住跟着哼了起来。
这时的楚军已经被围困了几天，早已心无斗志，再加上四面楚歌，更是人心涣散。很多人趁着黑夜溜出军营，还有的干脆就投降了汉军。项王焦虑万分，自知军心一溃，就很难再收拾。他难以入睡，召来自己的心腹，在中军营帐里喝起酒来。
项王的妃子虞姬，深受项王的宠爱，项王走到哪里都要带上她。项王还有一匹十分喜爱的乌骓马，项王曾经骑着它南征北战，取得过一次又一次的胜利。此时，项王割舍不下他钟情的女人和那匹善解人意的骏马。项王回想起以往的赫赫声威，不仅慷慨悲歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”项王悲愤得一连唱了好几遍，虞姬伴着项王悲凄的歌声拿起宝剑，翩然起舞。她边舞边唱：“汉兵已略地，四面楚歌声，大王意气尽，贱妾何聊生。”虞姬连唱几遍之后，挥剑自刎。听着这令人肝肠寸断的歌声，项王不禁潸然泪下。周围的人也都忍不住跟着一把鼻涕一把眼泪。整个大帐一片哭泣之声，谁都不忍心抬头看一眼项王。
乌江自刎
楚霸王项羽告别虞姬之后，临时决定突围。当夜，项羽跨上乌骓马，带了800名壮士组成的骑兵队伍冲出重围，趁着夜色向东南方飞奔而去。天亮的时候，汉军发现项羽已经逃走，连忙报告汉王。汉王命令将领灌婴带领5000骑兵紧紧追赶。项羽一路狂奔，等渡过淮河的时候，能跟得上项羽的骑兵，只剩下百余人了。
项羽来到了阴陵，在一个三岔路口，迷了路，就问一个在田间耕作的老翁，哪条路可以通往江东。老翁认出他是楚霸王项羽，骗他说：“往左边走。”于是项羽带着这些人往左边的方向跑过去，越跑越感觉不对，再往前就是一片沼泽地带，连道儿都没有了。项羽这才知道受了骗，赶紧调转马头，绕出沼泽地。而此时汉兵已经追上来了，项羽又向东南方向逃去。一路上，跟随的士兵死的死，伤的伤。到了东城，项王清点人马，只剩下28个骑兵。而此时汉军的追兵，密密麻麻地围了上来，足足有几千名。
项羽估计自己这回是逃不掉了，就对手下骑兵说：“我从起兵打仗到如今已经8年了，亲身经历70多次战斗，从来没有打过败仗，所以才能称霸天下。如今却被困在这里，这是上天要灭我，不是我不会用兵啊！今天虽说难逃一死，但我还是希望你们大家能痛痛快快地打一场硬仗，一定要连胜三阵。我将率诸位突破敌军的重围，斩杀汉军将领，砍断汉军的战旗，让各位知道这是上天要亡我项羽，并非我打不过他们啊！”说完，他把仅有的28人分成四队，对他们说：“我先斩掉他们一员大将。”命令四队骑兵分四路冲出去，约定冲到山的东边，在3个不同的地点，陆续集合。安排完毕，项羽呼啸着奔驰而下，向汉军冲过去。汉兵抵挡不住，吓得纷纷散开。项羽左冲右突，当场杀死了一名汉将，还杀了近百名汉军兵士，然后重新聚集他的骑士，楚军骑士只损失了两名。项羽得意地对他们说：“怎么样？我说得没错吧？”将士们都由衷地赞叹说：“果真像大王所说的那样！”
项羽杀出汉兵的包围，带着这些人一直往南跑去，来到了乌江。刚好乌江亭长有一条小船停在岸边，亭长对项羽说：“您马上渡江吧！现在只有我这里有渡船。您过了江，就是汉军追来，也没有船只渡江。江东的地方虽说是小了点，但毕竟还有千里的土地，百姓也有几十万，也能算得上是个王国了，您还可以在那边称王。”项羽听罢，慨叹一声，笑了笑道：“既然是老天要灭我项羽，我何苦还要渡过江去？想当年我在会稽郡起兵，带了8000子弟兵，渡江北上，到今天他们没有一个能活着回去，只有我一个人回江东。即便是江东父老可怜我，让我为王，可我还有什么脸面再见他们呢？难道我项籍心里就没有惭愧吗？”
项羽牵上乌骓马，把缰绳放在亭长的手里，说：“我知道您是一个忠厚善良的长者，这是匹好马，跟随我已经5年多了，它能日行千里，我骑着它作战所向无敌。我也不忍心杀掉它，就把它送给您吧！”说完，项羽叫士兵们全都跳下马，拿着短刀，徒步跟追上来的汉兵肉搏起来。项羽一连杀了几百名汉兵，自己也受了十几处伤，楚兵一个个倒下去。激战中，项王回头看见一员汉军战将，正是当年旧相识吕马童，便高声对他说：“你不是我的老相识吗？”吕马童也认出了项羽，就指着项羽对众人说：“项王在那儿！”项羽大笑说：“我听说汉王出千金悬赏我的人头，并封为万户侯，这个好处就留给你们吧！”说完，就在乌江岸边拔剑自刎。
王翳冲上前去，割下项羽的人头，其他的汉军就争相抢夺项羽的尸身，相互践踏，死伤几十人。最后郎中骑将杨喜、骑司马吕马童、郎中吕胜、杨武各争得一段肢体。5人把所得肢体拼合，正好是项王全身。刘邦履行诺言，把原先许诺的封地分成5块，封吕马童为中水侯，封王翳为杜衍侯，封杨喜为赤泉侯，封杨武为吴防侯，封吕胜为涅阳侯。抢到尸体的士兵们后来都被封了侯。
项王已死，楚地相继平复，只有鲁地不降服。汉王很生气，想占领鲁地后把该地的人都杀掉。后来又想他们恪守礼义，为君主守节不惜一死，值得赞许，就改变了主意。就派人拿着项王的头给鲁地人看，鲁地父老确信项王已死，这才投降。当初，楚怀王曾封项羽为鲁公，鲁地人感激怀念项羽，最后才投降。于是，汉王以鲁公的名义和相应礼仪把项王安葬，哭祭一通，然后才离去。
汉王对项氏家族不但不予杀戮，而且把重要人物都封为侯，并赐姓为刘。其中，封项伯为射阳侯。
