战争经过
战前准备
舆论准备
汉二年（公元前205年）三月，刘邦已定殷国复至修武（今河南修武县），适陈平自楚来降，刘邦获得楚之重要情报，又南渡平阴津（今河南孟县东）至洛阳新城，以备东袭彭城。
刘邦接受洛阳一三老董公“兵出无名，事故不成”。明其为贼，敌乃可服”的建议，以项羽杀义帝楚怀王为口实，分派使者向诸侯传檄宣称，天下共立义帝，而项羽竟杀害他，真是大逆不道。愿尽发关中之兵，与诸侯共击项羽，为义帝报仇。
檄文传到各国，立即得到不满项羽的诸侯的响应。魏王豹复书请从，刘邦叫他发兵相助。刘邦使者至赵，赵相陈余，却要刘邦杀张耳，方肯听命。刘邦不忍杀张耳，从兵中寻一与张耳面貌相似的人杀了，割下首级特示陈余，陈余信以为真，才发兵从汉。另一些诸侯则抱观望态度，不愿为项羽出力。因此，项羽处于十分孤立地位。
作战部署
刘邦增调在关中的周勃、樊哙、夏侯婴等部（曹参、灌婴等部，已自河内随渡至洛阳）至洛阳集中。
汉二年（公元前205年）四月，刘邦乘项羽胶着于城阳之际，率五诸侯军约计五十六万人，向楚都彭城进攻，其进攻彭城战略部署如下：
萧何镇守栎阳，并筹集军资，自渭水、黄河顺流而下，以补给前方；
曹参、周勃、樊哙、灌婴及赵军等部为进攻彭城之北路的纵队，由朝歌经定陶、胡陵，出萧县、彭城；
薛欧、王吸、王陵、为南路纵队由宛经叶县、阳夏，出彭城；
刘邦亲率夏侯婴、卢绾、靳歙、司马欣、董翳和殷王司马卬、常山王张耳、河南王申阳、韩王信、魏王豹等诸侯军为中路纵队，由洛阳经雍丘、睢阳出彭城，张良为军师，陈平为参乘。
大军进抵外黄，彭越率军三万来会，刘邦命他继续袭扰梁地，掩护汉军侧背。
彭城守备
时项羽已自率大军伐齐，为备刘邦，乃北自济水（今黄河）西岸，迤南亘（今河南杞县）、太康、淮阳之线，布置守备，其概况如下：
定陶重镇、由魏相项它，将龙且守备；
曲迂（今河南中牟县东），守将不详；
阳夏（今河南太康），守将不详。
守彭城的主力军，似在萧砀地区。
进击彭城
汉二年（公元前205年）四月，刘邦大军向彭城进击。
南路方面：击破阳夏后，继续向萧县前进，以与中路会师；
北路方面：曹参率领樊哙、灌婴、郦商等部，自围津（今东明县境）渡黄河后，樊哙攻煮枣（今山东菏泽西南），击破楚将王武程处。曹参、灌婴攻定陶，破之，楚将龙且、魏相项它败走。曹参已克定陶重镇，遂使樊哙南下与中路会师外黄（今河南杞县东）自与灌婴、郦商追击龙且、项它军，至胡陵（今江苏沛县北、山东鱼台东南），同郦商攻下后，即与中路会师。
中路方面：周勃为前军，攻破曲迂（今河南中牟县东）进抵外黄，彭越率三万军来会师，樊哙亦自北路方面来会师，遂向萧、砀地区推进。
在萧、砀地区，中、北、南三路皆会师。刘邦将萧、砀地区楚军的抵抗击溃后，径至彭城。
当时彭城，守兵寥寥，所有精兵猛将，都随项羽伐齐，只剩老弱数千留守城中，听说刘邦军进城，纷纷逃散。
刘邦进彭城后，一面令昌后兄周吕侯驻军下邑（今河南夏邑），同时拜彭越为魏相使住梁地。又令樊哙北攻邹鲁、瑕丘（今山东磁阳西二十五里）、薛（今山东滕县东南），令樊哙率军在今山东峄县、枣庄、邹县、曲阜、滋阳一带驻守，以掩护彭城之安全。一面在楚宫住下，收项羽美人，贷赂。将士日日置酒高会，欢呼畅饮。当时，刘邦及诸侯军守备各地及樊哙守邹鲁之兵外，在萧、砀及彭城，约三十万人。
项羽还击
此时，项羽陷入前所未有的危机中。
一、面临两线作战。齐国尚未平定，回师救楚，则腹背受敌。
二、兵力的极大悬殊。刘邦诸侯联军56万人，规模空前宏大。项羽此时全部兵力不详，但是必然远少于56万。
三、后方沦陷，孤军深入。此时项羽楚地尽失，没有根基地的孤军只能速战速决。
四、远离战场，长徒奔波。敌人则以逸待劳，利用防御工事抵抗回师楚军。
五、盟友背叛，政治大环境陷入极度孤立的状况。
面对如此险恶的政治，军事环境，项羽制订了一个大胆的战略计划。留下诸将攻齐，自率精骑三万疾驰南下，由鲁瑕丘击破樊哙等军后，即在胡陵至萧县采取包围闪击。萧县东南有刘邦兵数营驻扎。项羽军夜间抵萧，利用拂晓，由西向东反击汉军侧背，早晨开始进攻，与汉军展开大战，中午便大破汉军。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。
刘邦逃遁
刘邦大败，项羽从后追击，汉兵在谷、泗水二水（谷水，系雎水支流，在彭城南六十里，今安徽符集附近；泗水在彭城东近郊）被歼十余万。刘邦继续南走，想利用彭城南吕梁山区以资抵抗，但因项羽的猛烈追击而不能立足，又杀毙几万。项羽军追击汉逃兵至灵壁（今安徽宿州灵壁城）以东的睢水上，再斩杀汉军10余万人。
刘邦军逃入睢水，溺死者不计其数，“睢水为之不流”。项羽军将刘邦及其残部包围了三层，正待聚歼之际，忽然西北大风猛袭而来，飞沙走石，树木连根拔起，一时间天昏地暗，吹打得项羽军阵营混乱。刘邦趁此机会，仅带10余名骑兵突围而逃。其父、其妻被楚军俘获，汉军几乎全军覆灭。
战争结果
此役汉军元气大伤，几乎全军覆没，依附于刘邦的诸侯纷纷背汉投楚。刘邦只好收集残部，退守荥阳（今河南荥阳东北古荥镇）。楚汉之间的争斗从此变得更为剧烈残酷。