项羽得知刘邦军进占彭城后，十分焦急，决计将齐国战争的指挥权移交给部下，迅速回击彭城的刘邦军。项羽亲自挑选精锐骑兵3万余人，由鲁南向彭城方向急进。项羽率军经鲁地将樊哙军击败于瑕丘，即急驰胡陵，乘夜暗再围萧邑，拂晓时突然发起攻击，汉军遭到意外的突击，仓皇向彭城方向逃走。项羽追至彭城，与汉军展开大战，汉军对项羽军的突然袭击，无法组织有效的抵抗，自相践踏，乱作一团，被项羽军于彭城近郊斩杀10余万人。汉军纷纷向南溃逃，刘邦企图在吕梁山地区利用有利地势组织抵抗，但项羽军猛烈追杀，锐不可当，刘邦只得继续败退。项羽军将汉军追到今安徽宿县灵璧城东濉水上，再斩杀汉军10余万，刘邦军跳入濉水溺亡者不计其数，濉水竟被阻塞断流。项羽军将刘邦及其残部包围了三层，正在聚歼之际，忽然西北大风猛袭而来，飞沙走石，树木被拔起，房屋被掀翻，一时之间天昏地暗，吹打得项羽军阵营混乱，刘邦趁此机会，仅带10余骑兵突围而逃。彭城一战，使刘邦遭到起兵以来最大的惨败。 刘邦在突围之后，先至沛县以图安抚家室再行西逃，但因家属已先逃，未得相见。在西逃中，遇见其子孝惠，其女鲁元，刘邦即将子女载七车同逃，但楚军紧紧追来，刘邦怕被楚军追及，3次把子女推下车去，但3次都被夏侯婴救起。刘邦的岳父及妻子吕后被楚军俘获，刘邦被楚将丁公追及，向丁公求饶后，丁公将刘邦放走。由此可见，刘邦彭城失败之狼狈状况。

　　五月，刘邦率领残兵败将退至荥阳。此时，各诸侯王也发生了很大变化。殷王司马印混乱中挤压而死;河南王申阳下落不明;魏王豹见汉军大势已去，借探视亲人之病返国，断绝河津，反汉附楚;翟王司马欣和塞王董翳也叛汉降楚;陈余发现张耳并未被杀，知道刘邦骗了自己，也借此反汉，与楚媾和。

　　萧何得知刘邦军败，即刻动员征发关中老弱和少年参军，以韩信统兵急驰荥阳救援刘邦。周勃、灌婴等人也率残兵陆续返回荥阳，汉军又得到恢复，才将大局形势稳定下来。

　　项羽军乘胜追至荥阳地区后，本可一举歼灭刘邦军，但由于韩信援军赶到，反击楚军取胜，遂阻止了楚军的推进，保住了战略重镇荥阳。

　　汉军统帅刘邦从开始就被楚军咬住，在彭城西用旧情使楚将丁公放自己一马，逃出彭城被楚军围住，由于大风吹散楚军阵型，刘邦得以逃脱。刘邦此时向北逃跑，过老家沛县，欲收家小向西。却引来楚骑，家小被楚抓到，靠推儿子女儿总算逃过一劫。刘邦老婆吕后的兄长吕泽跟随刘邦参与彭城之战，战败后先带兵逃到下邑。刘邦绕了大圈子跑到下邑，收其散兵才缓过劲。 此战可以以完胜结局，不但歼灭刘邦主力，使刘邦陷入“发关中老弱未傅悉诣荥阳”的危机局面。更扭转了项羽四面楚歌，孤立无援的政治局面，重新占据楚汉战争的主动权。在大的政治环境方面，原来投向刘邦的盟军此时又背叛刘邦，或则投靠项羽，如塞王，翟王。有的则重新脱离刘邦的控制走向刘邦的对立面，如魏王豹，陈余。

　　但是这场完胜的战役却留下了遗憾，在此战并无抓到主帅刘邦，使刘邦逃往西边，占据荥阳成皋之地利，依靠关中汉中之资源。拉开四年之久的楚汉角逐战，最后依靠优越的地理和物质资源以及项羽后方的游击战大师彭越，并且整个集团的优势力量，终于拖跨项羽，赢得天下。

　　楚汉两军之间的彭城大战，是楚汉战争主战场项羽、刘邦亲自统率军队的第1次较量。这次战争，项羽以3万铁骑大败刘邦56万军队，主帅刘邦几乎被项羽生擒，这构成了中国古代战争吏上以绝对劣势之军战胜强大之军的又一奇迹。

　　项羽军在彭城之战的胜利，对改变楚汉两军的战略态势都至关重要。汉军攻占彭城后，已处于极为有利的战略地位，只要再接再厉，以高度的戒备状态，积极寻求与项羽决战，是有可能夺取更大胜利的。但却疏于戒备，导致惨败。而楚军则因此军威大振，将汉军赶至荥阳以西地区，夺得了主战场作战相当大的主动权，楚军的胜利最重要的因素可以归结为以下几点： 战略指导上的雄才大略、英勇果敢 当刘邦以56万大军进占彭城之时，也正是项羽深陷齐境战争，进退维谷之际。项羽深知自己两面作战，且都城已被刘邦重兵占领，处于十分不利的境地。此时毅然决定将齐境作战交由部将指挥，自己仅率3万骑兵突袭50多万汉军。这又一次证明项羽既是“力拔山兮气盖世”的勇士，更是雄才大略、坚毅果敢、英勇无比的优秀统帅。刘帮长时期谋划的东进之战，在项羽一击之下，印冰消云散的事实，更突出了项羽的这种统帅才能和可贵的气质。