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项羽上书义帝请封功臣，怀王回复“如约”。项羽大怒，不遵义帝之命，自主分封。汉元年（公元前206年）二月。项羽尊楚怀王为义帝，立十八诸侯。而割梁楚九郡自王之，号“西楚霸王”。四月，诸侯兵罢戏下。各就国。项羽封刘邦为汉王，以“巴、蜀亦关中地“为由，封以刘邦，刘邦贿于项伯又求封得汉中。是以刘邦定都南郑（今陕西汉中）。又将关中地区分为三部，封秦降将章邯、司马欣、董翳分别为雍王、塞王、翟王，合称“三秦”，企图通过他们控制关中，将刘邦困锁在汉中巴蜀地区。
刘邦被改封到汉中，初不欲就国。谋攻项羽，萧何进言曰：“汉水上应天汉。汉中，据有形胜，进可攻退可守，秦以之有天下”。刘邦于是采纳萧何建议，屈就汉王封号，招贤纳士以图天下，同时确定了收用巴（郡治江州，今重庆市北嘉陵江北岸）、蜀（郡治成都，今四川成都）。还定三秦，东向以争天下的方略。四月，忍忿前往汉中（郡治南郑，今汉中市城东）就国，而张良亦回韩国就任韩相。刘邦去汉途中烧毁所过栈道，防止诸侯军偷袭，并借此表示无东向之意，以麻痹项羽。项羽亦于同时班师彭城。至汉中后，故项羽帐下执戟郎中韩信因不受重用而弃楚归汉。后经过萧何举荐于汉元年五月任大将军。刘邦积极为回师关中做准备。
汉元年（公元前206年）四月。诸侯罢戏下。各就国。韩王成因无功，又韩相张良与刘邦相善。故项羽将其留在彭城，贬爵为侯。故燕王韩广不愿徙王辽东，新燕王臧荼攻杀之于无终。并其国。五月，齐相田荣不满项羽分封，击新齐王田都，田都奔楚。原齐王、新封胶东王田市畏惧项羽，前往胶东就国，田荣怒，追杀之，遂自立为齐王，不久又攻杀济北王田安。这样田荣击并三齐，并予彭越将军印，令其击楚。汉二年十月，赵将陈馀因不满项羽分封，从齐王田荣处借兵，与自己三县之兵一起攻常山王张耳，张耳败归汉。陈余迎立代王赵歇复为赵王，自为代王，命夏说为相守代，自己留辅赵王。同月，项羽自己亦作乱，密令九江王英布遣将杀害义帝于郴县。
田荣击并齐地自为齐王，并予彭越将军印令反梁地，项羽十分恼怒。刘邦乘项羽无暇西顾和三秦王立足未稳之机，“决策东乡（向），争权天下”。令萧何收取巴、蜀租赋补给军队，并得萧何大力举荐，任命韩信为大将，以曹参为前锋统兵数万，积极部署东进。八月，汉军以韩信“明修栈道，暗度陈仓”之计潜出故道（因临故道水得名，治今陕西风县北风州之西），兵至陈仓（今陕西宝鸡），袭击雍国，进围章邯军于雍都废丘（今陕西兴平东南）。同月，塞王司马欣、翟王董翳降汉。之后从八月至汉二年十一月，陇西（郡治狄道，今甘肃临洮南）、北地（郡治义渠，今甘肃宁县西北）、上郡（郡治肤施，今陕西榆林鱼河堡），这样关中仅剩下雍王章邯困守废丘，其他尽归汉有。十月，命薛欧、王吸出武关（今陕西丹凤东南），因南阳王陵军，欲东迎刘邦眷属，被楚军阻于阳夏（今河南太康）。
项羽闻知刘邦已兼并三秦，且准备东进伐楚，而齐、赵地都已反叛，大怒，杀韩王成，乃立原吴县（会稽郡治所，今江苏苏州）县令郑昌为韩王，以抵御汉军。张良为韩相，韩王成被杀复归汉，行时予项羽书言“汉王失职，欲得关中，如约即止，不敢东。”并将齐、梁地反书“齐欲与赵并灭楚。”呈给项羽。项羽亦以齐梁近楚，而彭越破之前杀萧公角，田荣与彭越之威胁更近，遂无西顾之意，于是采取“先齐后汉”的战略方针，故不救章邯，而北上击齐。田荣闻项羽击齐，率军迎击，结果大败。自己败走平原，平原民杀田荣，降项羽。但项羽采取错误政策，不仅不予召抚，反而怒田荣反，迁怒齐人，大肆屠杀，所过残灭。于是齐人纷纷复叛，项羽奔走于齐地，但远不能扑灭齐地战火。田荣弟田横趁机复起于城阳（今山东莒县），立田荣子田广为齐王，自任齐相，与往来袭击楚军。项羽于是一时深陷齐地无法自拔。项羽齐地战事胶着，而刘邦也于汉二年十月至陕（今河南陕县）大有东进之势，且新韩王郑昌在韩地很不力。不久降汉。十一月，汉立韩信（韩王信）为韩王。于是项羽派使者向英布征兵，但英布仅以老弱敷衍，项羽对此深为不满。数遣使斥责。
汉二年春，刘邦趁项羽陷于齐地无法抽身之机，亲自率军由函谷关出陕县（今河南三门峡市西）东进。迫降河南王申阳和项羽新封的韩王郑昌；西魏王魏豹率军归附，继而俘虏殷王司马卬，迅速占领了今河南及山西中、南部广大地区，造成东进的有利态势。汉二年（前205年）四月，刘邦进至洛阳，接受董公“兵出无名，事故不成”、“明其为贼。敌乃可服”的建议，＇3＇以项羽杀害义帝为口实，为义帝报仇讨逆为政治号召，令三军发丧，缟素三日，发檄文布告全国：“天下共立义帝，北面事之。今项羽放杀义帝于江南，大逆无道。寡人亲为发丧，诸侯皆缟素。悉发关内兵，愿从诸侯王击楚之杀义帝者”联络各地诸侯王。率本部及塞、翟、魏、赵、代五国诸侯联军56万攻楚，并一举攻占楚都彭城。项羽得知后，留众部将继续击齐，自率精兵3万疾驰南下。时刘邦等众诸侯已入彭城，收其货宝美人，置酒高会。项羽乘刘邦陶醉于胜利，戒备松懈之际，率军绕至彭城西，于清晨时发动突然袭击。战至中午。大破汉军，汉军往泗水方向溃逃。楚军紧追不舍，杀汉军十余万人，一直追击至灵壁（今安徽灵璧县）东濉水。汉军相互拥挤、践踏，加上楚军追杀，汉军十余万人皆入濉水，濉水为之不流。此役，汉军被歼数十万，刘邦也险些被虏，仅率数十骑突出重围，逃回荥阳（今河南荥阳东北古荥镇），经此一战，汉军元气大伤。项羽虽取得彭城之战胜利，但齐地战事却不利。在其率军击诸侯联军时，田横尽收齐地。但田横复国后并未攻楚，而是中立于楚汉之间，直至郦食其说齐。
刘邦大败于彭城，逃到下邑。父亲刘太公、母亲刘媪和妻子吕雉被楚军俘获，被拿住做人质。诸侯见刘邦败，转投项羽，塞王司马欣和翟王董翳入楚为将。赵国发现汉并没有杀张耳，赵兵退去反与汉为敌，汉王刘邦所纠集之联盟顿时瓦解。时吕后兄周吕侯将兵居下邑，刘邦到来后收集散兵。张良亦至下邑，与刘邦于下邑规划下一步对策。张良说：“九江王黥布，楚枭将，与项王有隙；彭越与齐王田荣反梁地：此两人可急使。而汉王之将独信可属大事，当一面。即欲捐之，捐之此三人，则楚可破也。”刘邦采纳张良建议。刘邦过夏邑，谋士随何自荐往说九江王英王。刘邦还至荥阳前205年六月，汉军水攻废丘，雍王章邯在抵抗了十个月兵败自杀，至此三秦悉为汉有。同时，英布与龙且战争，不得胜利，与随何往见刘邦，楚军尽取九江。刘邦收取士卒，会合关中萧何派来的援军，加上韩信赶来会合，项羽率楚军亦追击而至，汉军于“京县”（今河南郑州荥阳豫龙镇京襄城村附近）、“索亭”（今河南荥阳索河街道）之间击败楚军，将项羽楚军击退到荥阳以东。此为京索之战。京索之战，汉军稳住阵脚，楚军也无力突破汉军防线进攻关中。双方从来开始在荥、成一带拉钜，战争进入相持阶段。
京索之战，汉军击败楚军，项羽退回荥阳以东，而汉军亦不能过荥而往东。楚汉相持于荥阳。及汉二年八月，汉分兵，北路以韩信为统帅，东击魏、赵、齐三国，以完成对楚战略包围。而刘邦则亲统大军坚守荥阳、成皋一线吸引住项羽，拖住楚军主力使之无暇他顾。进入相持阶段后，战争分四条战线展开，即刘邦的荥成战线、韩信的北方战线、英布的南方战线和彭越、刘贾的敌后战线。九月，采纳韩信建议，给韩信增兵3万，让其开辟北方战场。前205年9月，项羽派龙且攻九江，英布战败，与随何一同逃至成皋。汉军在荥阳站稳后，开始修筑甬道，由敖仓运输粮食来荥阳。前204年，项羽率军数次攻夺甬道，汉军粮食短缺。于是刘邦向项羽要求和议，荥阳以西归汉。项羽打算接受，范增认为优势在握，如果放虎归山。必成后患。所以项羽率军加紧围攻荥阳城。刘邦认为范增是个大碍，所以给予陈平四万斤黄金，要他去离间项羽和范增的君臣关系。项羽中计，削其兵权，范增大怒而告老回乡，于途中病故。刘邦采纳陈平建议，命纪信扮作刘邦出城，而刘邦则趁机与数十骑从西门逃走，走前令御史大夫周苛、魏豹、枞公守城。项羽发现上当后。烧杀纪信，并攻城。周苛、枞公以“反国之王，难与守城”为由，杀掉魏豹。刘邦出荥阳，由成皋入关，调集军队，准备再至荥阳。袁生这时向刘邦讲谏：“汉与楚相距荥阳数岁，汉常困。愿君王出武关，项羽必引兵南走，王深壁。令荥阳成皋间且得休。使韩信等辑河北赵地，连燕齐，君王乃复走荥阳，未晚也。如此，则楚所备者多，力分，汉得休，复与之战，破楚必矣。”刘邦采袁生建议。出兵宛叶间。项羽闻刘邦在宛叶。果然率军南下，但刘邦坚守不与之交战。204年2月。彭越率军渡睢水，进击项声、薛公下邳，破楚军。杀薛公。项羽让终公留守成皋，自己率军还师向东击彭越军。而刘邦闻项羽东归，率军北上击杀终公，复成皋、荥阳。3月，项羽闻刘邦复夺成皋，率军而西，拔荥阳，俘虏周苛、枞公、韩王信。项羽劝周苛投降不成，烹杀周苛，并杀枞公。韩王信伪降楚，后嗣机逃归汉。刘邦逃出成皋，独与夏侯婴北渡河至小修武，至韩信、张耳军，夺其军南下驻小修武，准备与楚军战。6月，项羽回师还击彭越等，留大司马海春侯曹咎守成皋，并嘱令他坚守不要出战，等他平定梁地后回来。项羽走后，刘邦率军南下，多次挑战。最终曹咎忍不住出战，汉军大破楚军，大司马咎、长史欣皆自刭汜水上。汉王引兵渡河，复取成皋，军广武，就敖仓食，进围钟离昧荥阳东。
汉军再次收复成皋后，据险坚守，双方在广武山（今河南荥阳东北）形成长期对峙，相持不下。当此时，彭越数反梁地，绝楚粮食，项羽患之。于是置刘邦的父亲太公于鼎镬上，告诉刘邦说：“今不急下，吾烹太公。”（今天不赶快投降，我就烹煮了你父亲），刘邦却回答道：“吾与汝俱北面受命怀王，曰‘约为兄弟’，吾翁即若翁，必欲烹而翁，则幸分我一桮羹。”项羽见无济于事，只好作罢。又有一次，项羽对刘邦说：“天下匈匈数岁者，徒以吾两人耳，愿与汉王挑战决雌雄，毋徒苦天下之民父子为也。”刘邦却笑着拒绝说：“吾宁斗智，不能斗力。”
汉二年（前205年）八月，魏王豹踞河东（郡治安邑，今山西夏县西北禹王城）反汉归楚，威胁汉军侧翼。刘邦先派郦食其游说未成，即命韩信率军进攻。九月，韩信突袭安邑，生擒魏豹，灭魏国。安邑之战，汉魏两军使用的兵力不大，是个规模比较小的战役，但是对当时战局则起了极大影响。汉军凭着占领魏属的河东、太原等郡，可以经略赵代，进攻燕齐，形成从北面包围楚国的优越战略态势。汉军统帅韩信于安邑之战中，采用了与对三秦作战“明修栈道，暗渡陈仓”同样的诡诈手段，又一次成功地获得了全战役的彻底胜利。韩信用一部兵力阳渡临晋，主力暗渡夏阳的手法，引诱轻举妄动的魏豹，把主力调集到蒲坂以西地区，造成了魏王豹的错觉，巧妙地掩护了自己渡河的真实意图，使数万大军顺利渡河成功。汉军渡河急进，奇袭安邑要地，一战全歼敌人，突出地展示了韩信军事指挥的卓越才能。汉二年九月（前205年），魏王豹率军迎击，但遭到大败，魏王被俘虏，刘邦令其为将助守荥阳。
安邑之战后，刘邦继而采纳韩信“北举燕、赵，东击齐，南绝楚少粮道，西与大王会于荥阳”的建议，给韩信增兵3万，开辟北方战场，以消灭楚的羽翼，实现对楚的战略包围。
同年闰九月，韩信首先破代国，生擒相国夏说，代亡。汉三年（前205年。汉初承秦制，十月为岁首）十月，韩信、张耳率领汉军越过太行山，与楚的羽翼赵国战于井陉口（今河北井陉东南）。韩信一反常规，背水设阵，大败20万赵军，斩杀赵军主帅成安君陈余，生擒赵王歇，一举灭亡赵国。随之采纳赵国降将李左车建议，乘势不战而迫降燕王臧荼，平定燕国。井陉之战的结局，对楚汉战争的整个进程具有重大的意义。汉军的胜利。使得其在战略全局上渐获优�