漢王劉邦撫關外父老，先後迫降了河南王申陽、西魏王魏豹、殷王司馬昂，加上張耳和王陵的歸附，再也不是當年受困於漢中的漢王，而是占據了漢中和關中全部地盤的實力強大的漢王；手裏的軍隊也已不再是當初項羽隻允許他帶進漢中的3萬，而是大軍數十萬。至此，劉邦在穩固後方政權，建立堅實的後方根據地的同時，勢力迅速擴大到今河南的西部、西南部、西北部和山西的大部，拆除了項羽西麵的全部屏障，鋪平了直接進攻項羽的道路。
當漢王收複三秦、韓地和河南，撫關外父老，勸降魏王豹，轉而圍攻殷國都城朝歌的時候。霸王就派項莊和季布去救朝歌，沒想到救兵還沒到，殷王已經被漢軍逮去投降了。項莊、季布回來報告說：“我們還沒到河內呢，殷王已經投降了，我們隻好回來。”霸王大怒：“你們連敵人的麵都沒見到就回來了，還當什麼將軍！”都尉陳平說：“韓信用兵像孫武、吳起一樣神出鬼沒，大王光派兩位將軍去不妥當。我看還是請亞父跟他們兩個一起去，我也去，我們再發動大隊人馬，一定能把河內奪回來。”霸王瞪了陳平一眼：“派你去就成了嗎？殷王不是你勸說投降的嗎？怎麼反了呢？”陳平受了一頓譴責，悶悶不樂地退了出去。
原來，殷王司馬昂曾經背叛過霸王，霸王叫陳平去征伐。陳平跟殷王說明利害，勸他向霸王謝罪。殷王聽信陳平之言，歸順了霸王。霸王因此拜陳平為都尉，還賞了他20斤黃金。現在司馬昂投降漢王，陳平心裏很不自在，一見霸王發怒，更加忐忑。天黑之後，陳平隻身帶把寶劍，從小路跑到黃河邊上，準備渡河投奔漢王。上了渡船之後，船老大看他華冠美服，以為他身上藏著金銀財寶，就想暗害他。陳平非常聰明，馬上脫光衣服，假裝幫助劃船，一場凶險，竟被他輕而易舉地化解了。通過漢王劉邦身邊的魏無知進行介紹，陳平麵見劉邦。兩人縱論天下大事，十分投機。劉邦破例任陳平為都尉，留在身邊做參乘（陪他出行，為他駕馭馬車的官員），並命他監護三軍將校。這一下引起了將領的不滿，紛紛說他品行不端，貪圖賄賂，也就是人們常說的“昧金”“盜嫂”，認為這種人不能信任重用。
周勃和灌嬰也對漢王說：“陳平外表漂亮，可是品行不端，貪汙受賄，不配得到您的信任。”漢王就找來魏無知進行責問。魏無知說：“我推薦的是陳平的才能，您責問的是他的品行。現在楚漢相爭，要想勝過敵人，就要有人能出奇謀。品行端正的君子、孝子對我們又有什麼用呢？大王隻看陳平的計策如何就是。”
劉邦經不住眾人再三詆毀陳平，便也心生疑團，召陳平來質問道：“聽說你原來是幫助魏王的，後來離開魏王去幫助楚霸王，現在又來幫助我，這怎麼不讓別人懷疑你的信義呢？”陳平不緊不慢地回答道：“同樣一件有用的東西，在不同的人手裏作用就不同了。我侍奉魏王，魏王不能用我，我離開他去幫助楚霸王，霸王也不信任我，所以我才來歸附大王。我雖然還是我，但用我的人可不一樣了。我久慕大王善於用人，所以才不遠千裏來投奔大王。我什麼也沒帶，來到這兒，所以什麼都沒有，才接受了人家的禮物。沒有錢，我就生活不了，也就辦不了事。如果大王聽信讒言，不起用我，那麼，我收下的那些禮物還沒有動用，我可以全部交出來，請大王給我一條生路，讓我辭職回家，老死故鄉。”寥寥數語，道明了各方的政治優劣，話中有話。
劉邦的疑慮頓消，對陳平倍增好感，並重重地賞賜一番，提升他為護軍中尉，專門監督諸將。從此，陳平一心一意為劉邦“六出奇計”奪取天下，成為西漢安邦定國的著名謀臣。
公元前205年4月，漢王劉邦趁霸王項羽在齊地征戰後方空虛之機，由洛陽統帥常山王張耳、河南王申陽、韓王信、魏王豹、殷王司馬昂5路諸侯大軍，共計56萬人傾巢而出，大舉東進，一路之上所向披靡，兵鋒直指項羽的都城彭城（今江蘇徐州）。
出發前，有一鄉老董公勸漢王說：“順德者昌，逆德者亡。兵出無名，事必不成，項羽無道，弑殺義帝，實在是天下之敵。大王可為義帝發喪，傳檄遍告天下諸侯共伐項羽，那麼四海之內莫不敬重大王威德。如今大王師出無名，隻不過是為了爭奪土地，即使一戰打勝了，天下人也不會信服。”劉邦很高興，於是立即準備祭壇，命漢軍全體將士穿上孝服，為義帝舉辦了聲勢浩大的發喪儀式。同時布告天下，以替義帝報仇的名義來討伐項羽。
劉邦令人將檄文四處傳送，陳餘等人立即響應，各路諸侯聞風而到。彭越聽說後，也帶著3萬人馬前來幫助漢王。這樣一來，劉邦手下重要的將領和謀士幾乎全部到達。漢王劉邦為義帝發喪的義舉，很快得到人們的首肯並迅速傳播開來，人人都唾罵項羽的不義，讚頌劉邦的大德。義帝本來是項羽手中的大牌，但是項羽棄之不用，劉邦轉而用之，從而使他的出兵變得名正言順起來。
漢王劉邦隨即下令派韓信去守衛鹹陽，拜魏王豹為大將，帶領大軍攻打霸王的都城彭城。此時霸王項羽的精銳部隊都駐紮在城陽，彭城兵馬不多，隻有大將虞子期守衛在那裏。劉邦56萬大軍浩浩蕩蕩，數月就盡占楚地。項羽寄以厚望的九江王英布距彭城較近，可是他守著自己的地盤坐山觀虎鬥，采取袖手旁觀的立場，沒敢前來救援，彭城很快被漢王劉邦所占領。
聯軍興高采烈地進入彭城，劉邦以其人之道還治其人之身，采取了項羽慣用的奪物淫女的政策，對士兵不加管束。士兵們興高采烈地搶奪珍寶，就像項羽當年進入鹹陽秦宮那樣，肆意掠奪、終日狂歡，將霸王後宮美女供自己享樂。劉邦還下令沒收項羽私有的金銀、珠寶、美女，自己每天在項羽的宮殿裏通宵達旦地開懷暢飲。掠劫彭城使劉邦的“義名”遭到嚴重損害，楚國軍民的悲慘遭遇使原先支持劉邦的楚國長老，轉而走向和漢軍完全對立的立場。
項羽再也想不到自己的一貫政策，又被別人用到自己身上，他絕對不能允許彭城落到別人尤其是劉邦手裏。彭城失陷時，範增及時撤出守備部隊以保存實力，一方麵派急使向項羽求援，一方麵嚴密監督漢軍動向，並把漢軍進城後陷入混亂的局麵及時通知項羽。此時，項羽陷入前所未有的危機之中：
一、麵臨兩線作戰。齊國尚未平定，回師救楚則腹背受敵。
二、兵力的極大懸殊。劉邦諸侯聯軍56萬人，規模空前宏大。項羽此時全部兵力不詳，但是必然遠少於56萬。
三、後方淪陷，孤軍深入。此時項羽楚地盡失，沒有根據地的孤軍隻能速戰速決。
四、遠離戰場，長途奔波。敵人則以逸待勞，利用防禦工事抵抗回師楚軍。
五、盟友背叛，政治大環境陷入極度孤立的狀況。
麵對如此險惡的政治、軍事環境，項羽一個大膽的戰略計劃出籠：以諸將率領大軍繼續平定齊國，作為迷惑劉邦的手段。而自己親自帶領3萬精兵繞道彭城後方，以彭城為釣餌引劉邦上鉤，然後偷襲劉邦後方，盡滅劉邦聯軍。項羽的作戰計劃出來，所有人都愣住了！他不但要以3萬盡殲對方56萬，還要長途奔波，設局偷襲！這可以說是前無古人，後無來者的一個瘋狂計劃！
霸王項羽的計劃一旦出籠，馬上就會迅速實施，他把大部隊留在齊國迷惑劉邦，自己運用騎兵的機動性，由齊國星夜兼程，繞道彭城西南的蕭縣。等待劉邦諸軍忙著部署北邊防禦，主帥鬆懈的最佳時機，開始向東進攻彭城，一場惡戰擺在漢軍麵前。
項羽選擇的是早晨發動偷襲，此時敵人尚在睡夢之中，正處於最疲憊的時候，突然遭遇大規模偷襲，聯軍大營頓時亂作一團。戒備不足的聯軍無法抵擋霸王的精銳之師，死傷無數，潰不成軍。蕭縣失守，失去門戶的彭城馬上處於楚軍的刀劍之下。選擇早晨偷襲可以看出項羽對時機把握的老練，自己可以利用天亮洞察敵方情況，選擇合適有效的戰術最大消滅敵人。很多偷襲喜歡放在夜裏，這樣有利於掩藏行蹤。但是項羽此次不光要造成敵方混亂，更要全殲敵軍。
項羽在戰術的選擇上直接攻擊劉邦指揮中樞，造成劉邦聯軍指揮係統癱瘓，這樣聯軍就無法組織有效的反抗，然後項羽死死咬住劉邦的主力進行攻擊，不給劉邦以喘息之機。劉邦睡夢中得到報告，一下子就把隔夜酒嚇醒，心慌意亂地召集將領商討對策：“這可能嗎？楚軍用兵之快何以至此？”此時蕭縣已經失守，楚軍兵臨城下，由不得劉邦不信，倉促間他隻好帶兵出城迎敵。
晨風中，漢王放眼向敵陣望去，旌旗獵獵，兵將士氣正旺，正中央一將軍胯下烏騅馬，手中一杆畫戟，威風凜凜，英氣逼人，正是項王。劉邦倒抽一口冷氣，再看自己的士兵，倉促集合，軍容懈怠，在士氣上先就敗給了楚軍。麵對凶悍的楚軍，漢軍戰一合敗一合，楚兵個個以一當十，把漢王為義帝辦喪事的各路大軍殺得七零八落，四散奔逃，劉邦自知回天無術。殷王司馬昂、河南王申陽都被霸王殺死，魏王豹轉而投降霸王，常山王張耳一見大事不好，識時務者為俊傑，趕緊向後逃跑。楚軍追殺了一陣，遠遠地望見漢王，就更加拚命追趕，幸虧有樊噲、周勃、盧綰死命保護著漢王，總算沒有被霸王傷及性命。後麵的項莊、恒楚、虞子期、季布等率領大隊人馬，衝殺過來，漢軍大亂，自相踐踏。
聯軍不明實情，又沒有得到有效的組織，像無頭蒼蠅般四處亂撞，此時正中項羽之計，楚軍騎兵驅趕、引誘，把聯軍逼到南方的穀水、泗水，而劉邦聯軍猶如從雲端落入無底的深淵，昨天還意興盎然，勝券在握；今天就禍從天降，不知其然，被項羽展開攻擊，殺死十餘萬人。聯軍為了活命拚命南逃，逃到更南的靈璧（彭城南）東睢水上，爭先恐後地要渡過睢水去。不料楚兵趕到，岸上的連滾帶爬地被擠到水裏，水裏的因為人多船少，反倒把船弄翻許多。這樣聯軍自相殘殺，被擠落水者達十幾萬人，這十幾萬人掉到水裏，把睢水都堵塞住了。
彭城之戰最終成了一麵倒的局勢，剩下就是追擊殘兵敗將，擴大戰果，收拾殘局。可惜由於項羽兵力單薄，追擊戰並未產生多大效果，劉邦諸將收拾殘兵彙聚滎陽，頂住了楚兵的追擊。
彭城之戰項羽第一次利用騎兵獨立作戰，獲得了空前絕後的勝利，創造了軍事史上的奇跡！這次戰爭楚軍大獲全勝，不但殲滅劉邦主力，使劉邦陷入“發關中老弱未傅悉詣滎陽”的危機中，更使得項羽扭轉了孤立無援的政治局麵，重新占據楚漢戰爭的主動權。
劉邦從彭城潰敗出逃，逃了一城又一城，始終逃不脫楚軍的追殺。幾個護衛大將也被楚軍殺散，身邊隻有幾百個士兵，好在有滕公夏侯嬰舍命相保。此時後麵的楚兵緊追不舍，很快把他們又重重包圍起來。塵土滿麵、狼狽不堪的漢王長歎一聲：“莫非天要亡我？”這時恰巧大風從西北刮起，風勢摧枯拉朽，牆倒屋塌，飛沙走石，地暗天昏，迎頭卷向楚軍，楚軍被吹得站立不穩，咫尺之間難辨敵我，霎時陣腳大亂，狼狽奔逃，劉邦趁機逃出楚兵的包圍。
劉邦雖然被一場沙塵暴救了下來，逃出了重圍，可是卻無法擺脫後麵的追兵，最終被項羽的追兵追了上來。劉邦之所以逃出重圍，又被楚兵追上，主要是兩個原因：一是劉邦逃亡途中，巧遇其子女，後來的惠帝劉盈與魯元公主；二是項羽的騎兵比劉邦的馬車跑得快，劉邦路遇其兒子、女兒，自然不得不收留在車上，但是，這樣一來，車速肯定減慢了。劉邦為了活命，三番五次將兒子、女兒踹下車來。雖然劉邦如此“果敢”，但是，趕車的夏侯嬰（滕公）還是堅持把劉邦的兒子、女兒救了出來，同時，項羽的追兵也追上來了。
被追上的劉邦怎麼逃出來的呢？《史記·高祖本紀》中並沒有記載，但是，《史記·季布欒布列傳》記述了這一過程：“季布母弟丁公為楚將，丁公為項羽逐窘高祖彭城西，短兵接，高祖急，顧丁公曰：兩賢豈相厄哉？於是丁公引兵而還，漢王遂解去。”
丁公是季布的舅舅，季布是楚漢戰爭時期最守信用的人，人們常說：得黃金百斤，不如得季布一諾。季布也是項羽手下的名將，也曾多次搞得劉邦非常狼狽，但是，季布始終忠於項羽。丁公作為季布的舅舅，私下放了劉邦，實屬大錯。劉邦也真是命大，一次彭城之戰，先遇上一場沙塵暴，又遇上一個敢於徇私情放他一條生路的丁公。這兩場偶然事件確實出乎意料，讓人大跌眼鏡，使項羽又一次失去除掉劉邦的機會。後來，等到劉邦滅了項羽，季布逃亡為奴，丁公自以為有恩於劉邦，竟然去麵見劉邦。劉邦見到丁公，立即將丁公抓起來，在軍中遊行示眾，並告誡軍中：丁公為項羽之臣，卻對項羽不忠，使項羽失去天下的正是丁公。最終殺了丁公，讓人們永遠記著不要做丁公那樣的人臣。
隨後，劉邦帶著夏侯嬰火速返回沛縣，尋找失散的家眷。劉邦攻打彭城時，已將家屬帶回沛縣，由鄉人審食其幫助照顧。彭城大敗來得突然，審食其判斷楚軍必來沛縣抓漢王家屬，於是緊急轉移劉公、呂氏到山區避難。漢王去沛縣接家眷，而項羽也派人到沛縣去擄掠漢王的家眷。
審食其隨太公、呂後從小路尋找漢王，沒能找到漢王，反而遭遇了楚軍。楚軍就將他們一起帶回，項羽便把他們安置在軍營中做人質。
漢王沒有接到太公和呂後，卻得到了年輕貌美的戚氏，收為姬，也稱戚夫人。劉邦收了戚夫人之後，繼續逃亡，最終憑借對地形的熟悉才甩開了楚軍的追擊，帶著兩個孩子脫離險境，安全逃離了家鄉沛縣。
漢王一行逃脫危險後，聞知呂雉的哥哥呂澤（後封周呂侯）率漢軍居於下邑（今安徽碭山縣），便抄小路前往，並沿途收集失散的漢軍士卒，於同年五月抵達滎陽（今河南滎陽縣東北，是古代的軍事要地）。同時韓信也收集失散的士卒，與漢王相會於滎陽。此時，陸續有失散的士卒回到漢王的部下。然而，被楚軍擊潰的失散士卒，重新集結起來的人數畢竟有限，難以同項王進行軍事對抗。危難時刻，蕭何將關中地區青壯年男子以外的老（超過56歲）弱（未滿20歲），也都一律征發調往滎陽前線，補充兵員，同時向滎陽調運糧草，漢軍因此重新得以振作。楚軍從彭城出發乘勝追擊，與漢軍交戰於京（邑名，今滎陽縣東南）、索（索亭，今滎陽縣城）之間。
漢王從步兵中挑選善於騎馬的士卒充當騎兵，軍中都推薦原秦軍騎士李必、駱甲。漢王想任命二人為騎兵將領，李、駱說：“臣原為秦地人，恐漢軍士卒不能信任，願能得到大王左右善於騎射的近臣隨從。”於是，漢王任命灌嬰為中大夫令，以李必、駱甲為左右校尉，統率新組建的騎兵與楚騎兵交戰於滎陽東，大破楚軍，楚軍因此而不能過滎陽向西進軍。當時，漢軍駐守於滎陽，修築通往黃河的甬道，從敖倉（秦朝修建的著名大糧倉，地處滎陽北的敖山上）運送軍糧，漢楚兩軍形成暫時的對峙的局麵。
同年六月，漢王劉邦從滎陽前線回到都城櫟陽。壬午日，漢王立兒子劉盈為太子，大赦罪人。
這一年的夏季，關中發生大饑荒，每斛米的米價高達萬錢，甚至出現了人食人的現象。為渡過難關，漢王令關中百姓到蜀郡、漢中郡逃荒，以免餓死。
同年八月，因前線形勢緊急，漢王不得不離開都城櫟陽，前往滎陽。行前，漢王命蕭何以丞相的身份作為關中留守，代表漢王主持漢政權的一切政務，令他扶持太子，為漢政權製定各項法律製度，即“為法令約束，立宗廟、社稷、宮室、縣邑”，建立國家和地方各級政權。漢王賦予蕭何對於那些來不及上奏的大事可以“便宜實施”的大權；待漢王回到櫟陽後，向漢王做出報告即可。在漢軍與楚軍在滎陽對峙期間，蕭何在關中建立了新的戶籍製度，向前線調運軍隊所需的糧食，及時補充兵員，從未有過缺乏或斷絕現象的發生，使得漢軍在敵強我弱的形勢下，有一個鞏固的根據地。源源不絕地及時將糧草和補充兵員送往前線，使漢軍得以多次渡過危機和難關，為漢軍的轉弱為強提供了後勤上的充足保證。
此時，蕭何實際上已作為漢王的代理人來鎮撫關中，因此蕭何的權力確是炙手可熱，在此期間，劉邦對其產生懷疑是不可避免的。這裏有一個小故事說的就是發生在這一時期的事。
公元前204年，當楚漢兩軍在滎陽南麵形成相持之勢後，劉邦幾次三番地派遣特使去慰問蕭何，問寒問暖，使蕭何內心深感不安。當時蕭何身邊有一個叫鮑生的人看出劉邦的用意，知道蕭何為此事感到很憂慮，就向蕭何進言說：“漢王出征，長年在外與項羽爭奪天下，而把後方留守大權都交給了丞相您，他接二連三地派出使節不遠千裏地來慰勞丞相您，這說明漢王對丞相您已經起了猜疑之心。我現在替丞相您著想，不如趁漢王與項王相持不下時，多多地派遣丞相您的子弟族人到漢王軍隊裏去效勞，這樣，漢王自然會滿心高興，對丞相您的猜疑也就會煙消雲散了。”於是蕭何聽從了鮑生的計策，立即派遣自己的兄弟子侄族人前往劉邦軍中效力，劉邦果然大喜，不再懷疑蕭何了。
楚漢在滎陽相持了兩年多時間，這期間劉邦曾幾次狼狽逃奔，隻是在得到了蕭何從關中調發來的兵員作補充後，劉邦的軍隊才又重新振作起來，因此楚軍也始終不能越過滎陽西攻劉邦。這種情況一直到公元前203年8月，形勢才發生根本性的變化。