刘邦攻占洛阳、新城（今河南伊川西南）时，当地三老董公请求为义帝发丧。因为项羽早在数月前，就已经秘密派九江王黥布、衡山王吴芮、临江王共敖击杀楚怀王于江中。董公对刘邦说，“兵出无名，事故不成”，“明其为贼，敌乃可服”（《汉书·高帝纪》），建议以项羽放杀义帝，率三军为之素服，号召诸侯共同讨伐项羽。刘邦为了笼络人心，联合诸侯的力量，觉得这是可利用的机会，就采纳了董公的建议。于是，刘邦为义帝举哀，“袒而大哭，哀临三日”（《汉书·高帝纪》），并派使者遍告诸侯，宣布项羽放杀义帝，大逆不道，表示愿与诸侯王共同讨伐项羽。

（公元前205年）四月，刘邦统率诸侯兵56万人，直指项羽的都城彭城。到达外黄（今河南兰考东南）时，彭越率领3万人马加入汉军，刘邦封他为魏相国，命令他领兵攻占梁地。

刘邦以50余万之众，乘虚长驱直入，一举攻克彭城。他在城中搜罗财宝、美女，每天设宴欢饮，庆祝伐楚取得胜利。

刘邦一时沉醉于暂时的胜利，麻痹轻敌，对还在齐地烧杀的项羽未加戒备。结果，项羽得知刘邦占领彭城的消息，心急如焚，命令他的部将继续攻齐，他自己则率精兵3万回救彭城。项羽从鲁县（今山东曲阜）南下，出胡陵（今江苏沛县北），进至萧县（今江苏萧县西北）。

这天早晨，项羽从萧县向东进击，中午就攻下了彭城。刘邦毫无戒备，只得仓促应战，加以军心涣散，竟被打得溃不成军。项羽追至彭城的东北，汉军为了找一条活路，数十万人的队伍纷纷跳入穀、泗二水逃命，以至死者十余万人之多。向西南撤退的汉军余部，也遭到楚军尾随追击，并在灵璧（今安徽濉溪西）东睢水上，被楚军拦截，又有10余万人跳入睢水逃亡。由于人多拥挤，汉军伤亡无数，以致睢水为之不流。

楚军以3万之众，围汉王三匝。刘邦突围无路，正在危急之时，突然天气骤变，刮起西北风。顿时，飞沙走石，木折屋掀，天昏地暗。楚军大乱。刘邦趁此机会，带着数十骑突出重围，逃之夭夭。

彭城之战是楚汉之争的第一次重大战役。项羽回师突袭，以少胜多；刘邦麻痹轻敌，几乎全军覆没。楚军乘胜追击，汉军不得不暂时退却。

楚军追击刘邦，并派人去沛县取其家室。最后，刘邦的家眷失散，他的父亲太公和妻子吕雉都在途中被楚军俘虏。项羽将他们置于军中，作为人质。刘邦的儿子刘盈及长女鲁元公主，幸亏在途中巧遇刘邦，并在夏侯婴保护下，才免于落入敌手。

刘邦自灵璧退至下邑（今安徽砀山），又徙军砀县，并经砀县退至虞县（今河南虞城北），沿途收集败逃的余部，大部分兵力已丧失殆尽。这时，各诸侯王见刘邦大败，也都纷纷背汉投楚。

这年的五月，刘邦退至荥阳，控制这个通往关中的军事重镇，以便阻止项羽西进。荥阳地势险要，交通便利，北有敖仓，是秦朝留下的关东最大的粮仓，可资利用；西有函谷关，是扼守关中的门户，可为汉军提供兵源和物资。因此刘邦退至荥阳、成皋一线，进可攻，退可守，这里成为刘邦转败为胜的必争之地。

刘邦在荥阳一面收集诸路散卒，筑甬道取敖仓积粟，以便与楚军对峙，一面由萧何“发关中老弱未傅者”（《汉书·高帝纪》），为前线补充大量的兵源。与此同时，韩信亦收兵前来会合，因此汉军的军威大振。

项羽自彭城西进，在荥阳南的京县（今河南荥阳南）、索亭（今河南荥阳西南）之间，与刘邦发生激战。楚军兵败之后，受阻于荥阳东，与汉军对峙。从此，楚汉之间的争夺战，就在荥阳、成皋一线展开。

然而，楚汉在荥阳、成皋一线对峙，楚强汉弱，汉军腹背受敌，形势对汉军不利。当时，在正面与汉军相抗的有项羽的主力，威胁较大；背面有章邯困守废丘，从后方威胁着汉军；西北面有司马欣、董翳、魏王豹相继背汉降楚，从北侧威胁汉军；而南面有楚将九江王英布，与项羽有矛盾，所以南侧属亟待争取的力量。刘邦当时可利用的力量，只有占据齐地与项羽对抗的田横，还有活动于楚军腹心地带的彭越。

为了扭转这种被动局面，刘邦曾经问过群臣：“我想拿出关东地区，谁能破楚立功，就把关东分封给他，谁有这个能力呢？”张良回答说：“九江王英布是楚的枭将，跟项羽有矛盾，彭越跟齐王正在梁地反项羽，这两个人都可以利用。汉王手下的将领，只有韩信可以托付大事，让他独当一面。如果要平分关东，只要分给这三人，项羽就可以被打败了，”张良根据当时的形势，并针对各人的特点，提出英布、彭越、韩信三人可以破楚，实际上为刘邦提出了一条重要的战略方针。这就是：争取英布背楚归汉，以削弱楚军而壮大汉军的力量，同时解除汉军南翼的压力；利用彭越继续反楚于梁地，在楚军心腹之地游动作战，以牵制和分散项羽的兵力，减少汉军正面的威胁，造成两面夹攻的局面；至于韩信则可派他北攻魏、赵等地，解除北翼的威胁，以孤立项羽。

刘邦与张良的谋略既定，就重新部署必要的力量，开始实施这项破楚的计划。

项羽本意是在灭了田氏兄弟之后，再举兵西进，迎战刘邦，不料他的如意算盘却被刘邦率先打破。汉高帝二年（前205年）三月，刘邦乘项羽北伐田荣之机，抢先率军自河内南渡平阴津（今河南孟津北），东伐项羽。