刘邦首战项羽失利后，又逐渐聚集士卒，重整军马。刘邦派使者去九江王黥布那里游说，希望黥布能发兵反楚，这样项羽一定会暂停留在那里攻击黥布。只要牵制项羽几个月，刘邦的势力就可以恢复，赢得天下。使者的游说果然奏效，黥布起兵反楚。项羽就派龙且前去攻打他。但是九江王黥布作战失利，归附了刘邦。刘邦又渐渐收集士兵，跟各路将领频频出动，声威大振于荥陽，终于在京、索之间击败了楚军。随后刘邦派韩信击败了魏王豹，平定了魏地。
兵败荥陽
刘邦在荥陽跟项羽互相对峙，持续了一年多。项羽包围了刘邦，此时汉军粮食缺乏。刘邦见胜利无望，就请求讲和，条件是把荥陽以西的地方划归刘邦。项羽的亚父范增劝项羽务必攻下荥陽，项王因此没有答应刘邦的请求。刘邦十分担忧，谋士陈平就向刘邦建议说：“项羽不赞成讲和，肯定是听从了范增的谗言，如果离间他们二人的关系，事情就好办了。”刘邦于是就用陈平的计策，给了陈平黄金四万斤，用以离间项羽和范增君臣之间的关系。项羽果然对范增产生了怀疑。范增遭到项羽猜疑后，非常愤怒，就托辞年老，希望项羽准许他乞身告退回乡为民，项羽答应了，范增就返回家乡了。结果在途中病亡。
刘邦下令趁夜色把两千多名身披铠甲的女子放出东门，楚军从四面追赶围打。这时将军纪信乘着刘邦的车驾，假扮成刘邦的样子诳骗楚军。楚军一起高呼万岁，都到城东去观看，刘邦借此机会才得以带着几十名随从骑兵从西门逃出。
刘邦逃出荥陽后进入关中，收集士兵准备再次东进。谋士袁生劝说刘邦道：“您如果出兵武关，项羽一定率军南下，那时大王加高壁垒，拒不出战，这样就可以让荥陽、成皋一带得以休息。您再派韩信等去安抚河北赵地，把燕国、齐国连接起来，那时大王再兵进荥陽也不晚。这样楚军就要多方防备，力量分散，而汉军得到了休整，再跟楚军作战，就必胜无疑了。”刘邦听从了他的计策，出兵武关。项羽听说刘邦在宛县，果然率军南下。刘邦加固壁垒，不跟他交战。这时候，彭越又趁机大败楚军。于是项羽就率军东进去攻打彭越。刘邦借机率军北进，驻扎在成皋。但项羽仍然势不可当，先后将彭越和刘邦打得一败涂地。
重整旗鼓
刘邦兵败后，只和滕公共乘一车从成皋北门仓皇逃去。他自称是使者，冲入张耳、韩信的军营，夺取了他们的军权。他又派张耳往北到赵地去收集兵卒，派韩信东进攻打齐国。刘邦取得了韩信的军队后，重新振作起来，率军南进黄河，想要跟项羽再战。郎中郑忠劝他说：“现在楚兵兵强马壮，士气正盛，而我军与敌人相比势单力薄，现在作战胜算不大，不如加深壕沟，增高壁垒坚守，不要跟楚军作战。”刘邦听从了他的计谋，暂时进行休整。等休整完毕以后，派人率兵进入楚地，跟彭越的军队一起打败了楚军，接着又攻下了梁地的十多座城池。
韩信受命东进伐齐，还没有渡过平原津，刘邦就暗中派郦食其前去游说齐王田广，田广于是叛楚，与汉和好，答应共同进攻项羽。韩信知道这件事之后，就想停止攻齐，但蒯通劝他还是要攻下齐国，于是韩信听从蒯通的主意，袭击了齐军。齐王气得暴跳如雷，用大鼎把郦食其煮了，然后向东逃到高密。项羽听说韩信将要进攻楚国，就派兵攻打韩信，反而被韩信打败。这时，彭越驻兵梁地，往来袭击騷扰楚军，断绝了楚军的粮食供给。
项羽为解除后顾之忧，决定先除掉梁地的彭越。他临行前嘱咐部下曹咎说：“你们谨慎守住成皋。如果汉军挑战，千万不要应战，只要别让他们东进就可以了。我在十五天之内一定能平定梁地，回来再跟你们会合。”项羽带兵走后，汉军果然多次向楚军挑战，但楚军坚壁不出。刘邦派人天天辱骂他们。曹咎气愤之极，忍无可忍，终于将项羽的嘱咐抛至脑后，领兵横渡汜水（位于今河南荥陽地区）与汉军决战。士兵刚刚渡过一半，汉军奋力出击，楚军猝不及防，纷纷掉进河里而大败。楚军将领曹咎、司马欣都在汜水上自刎了。项羽到达睢陽，听说曹咎被打败，就率军赶回来，但汉军随即全部跑到深山险阻地带去了。