劉邦逃出滎陽後，向南跑到宛縣、葉縣，遇到九江王英布，一邊行進，一邊招集士兵，重又進入成皋，守在那裏。
項羽進兵包圍成皋。劉邦逃走，一個人帶著滕公出了成皋北門，渡過黃河，逃向修武，去投奔張耳、韓信的部隊。諸將也陸續逃出成皋，追隨劉邦。楚軍因此拿下成皋，想要西進。劉邦派兵在鞏縣抵抗，阻斷了楚軍西進的去路。
這時候，彭越渡過黃河，在東阿攻打楚軍，殺了楚國將軍薛公。項羽於是親自率兵東進，攻打彭越。劉邦得到淮陰侯韓信的部隊，想要渡過黃河南進。鄭忠勸阻劉邦，劉邦才停止南進，在黃河北岸修築營壘駐紮下來。劉邦派劉賈率兵去增援彭越，燒毀了楚軍的糧草輜重。項王繼續東進，打敗了劉賈，趕跑了彭越。劉邦這時率領部隊渡過黃河，又拿下了成皋，在西廣武紮營，就近取食敖倉的糧食。項羽已經平定了東方，現在又回過頭來西進，在東廣武與漢軍隔著廣武澗紮下營來，兩軍各自堅守，持續了好幾個月。
（三）鴻溝之盟
公元前203年，彭越幾次往返梁地，斷絕了楚軍的糧食，項羽為此深感憂慮。他做了一張高腿案板，把劉邦父親太公擱置在上麵，向劉邦宣告說：“如果你現在不趕快投降，我就把太公煮死。”劉邦說：“我和項羽作為臣子一塊接受了懷王的命令，曾說‘相約結為兄弟’，這樣說來，我的老子也就是你的老子，如果你一定要煮了你的老子，就希望你能分給我一杯肉湯。”項羽大怒，要殺太公。項伯說：“天下事還不知道怎麼樣，再說要奪天下的人是不顧及家的，即使殺了太公也不會有什麼好處，隻會增加禍患罷了。”項羽聽從了項伯的話，沒有殺劉邦的父親。
楚、漢長久相持，勝負未決。年輕人厭倦了長期的軍旅生活，老弱也因水陸運輸而十分疲憊。項羽對劉邦說：“天下紛紛亂亂好幾年，隻是因為我們兩人的緣故。我希望跟你挑戰，決一雌雄。不要再讓百姓白白地受苦啦！”
劉邦笑著回絕說：“我寧願鬥智，不能鬥力。”項羽讓勇士出營挑戰，漢軍有善於騎射的樓煩，楚兵挑戰好幾次，樓煩每次都把他們射死。項羽大怒，就親自披甲持戟出營挑戰。
樓煩搭箭正要射，項羽瞪大眼睛向他大吼一聲，樓煩嚇得眼睛不敢正視，兩隻手不敢放箭，轉身逃回營壘，不敢再出來。劉邦派人私下打聽，才知道原來是項羽，大為吃驚。這時項羽就向劉邦那邊靠近，兩人分別站在廣武澗兩邊互相對話。劉邦一樁一樁地列舉了項羽的罪狀，項羽很生氣，要和劉邦決戰。劉邦不聽，項羽埋伏下的弓箭手射中了劉邦。劉邦受了傷，跑進成皋。
項羽聽說淮陰侯韓信已經攻克了河北，打敗了齊、趙兩國，而且正準備向楚軍進攻，就派龍且前去迎擊。淮陰侯與龍且交戰，漢將灌嬰也趕來了，把楚軍打得大敗，殺了龍且。韓信趁此機會自立為王。項羽聽到龍且兵敗的消息，心裏害怕了，派武涉前去遊說淮陰侯，勸他聯楚背漢，與楚漢三分天下。韓信不聽。
這時候，彭越又返回梁地，斷絕了楚軍的糧食。項羽對海春侯、大司馬曹咎等說：“你們要謹慎地守住成皋，如果漢軍挑戰，千萬不要和他們交戰，隻要別讓他們東進就行。十五天之內，我一定殺死彭越，平定梁地，回來再跟將軍們會合。”於是帶兵向東進發，一路上攻打陳留、外黃。外黃起先不歸順，過了幾天終於投降了，項羽很生氣，命令男子15歲以上的全部到城東去，要把他們活埋了。
外黃縣令門客13歲的兒子，前去勸說項羽，說道：“彭越憑強力威脅外黃，外黃人害怕，所以才姑且投降，為的是等待大王。如今大王來了，又要全部活埋他們，百姓哪兒還會有歸附之心呢？從這往東，梁地十幾個城邑的百姓都會很害怕，就沒有人肯歸附您了。”
項羽認為他的話有道理，就赦免了準備活埋的那些人。項羽東進睢陽縣，睢陽人聽到這情況都爭著歸附項羽。
漢軍多次向楚軍挑戰，楚軍都沒出來。漢軍就派人去辱罵他們，一連五六天，大司馬曹咎忍不住氣憤，派兵渡汜水。士卒剛渡過一半，漢軍出擊，大敗楚軍，繳獲楚軍的全部物資。大司馬曹咎、長史董翳、塞王司馬欣等都在汜水邊上自刎了。
這時候，項羽在睢陽，聽說海春侯的軍隊被打敗了，就帶兵往回趕。當時，漢軍把楚將鍾離昧包圍在滎陽東邊，項羽趕到，漢軍害怕楚軍，全部逃入附近的山地。不久，漢軍士卒氣盛，糧草充足，項羽士卒疲憊，糧食告絕。劉邦派劉賈勸說項羽，要求放回太公，項羽不答應。劉邦又派侯公勸說項羽，項羽才跟劉邦定約，平分天下。
公元前203年底，劉邦與項羽講和，雙方以鴻溝為界，鴻溝以西的地方劃歸漢，鴻溝以東的地方劃歸楚。項羽送還了劉邦的父親和妻子。