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。刘邦派郦食其劝说魏王魏豺重新归汉，遭到魏豹的拒绝，汉二年八月，刘邦派曹参、韩信兵分两路攻打魏国，即月攻破安邑，曹参俘虏了魏豹，将魏豹带至荥阳。汉二年九月，刘邦派陈豨、韩信、曹参攻打代国，后九月，平定代国，斩杀代相国夏说。
汉三年十月，刘邦派原常山王张耳收复赵国故地，韩信与张耳一同前往，陈兵井陉，赵王因代地已失，又闻汉军攻打井陉关，集结赵军主力至赵国北部抵挡汉军的进攻，此时刘邦趁赵国南部空虚，离开荥阳，北渡黄河，攻克河内，从南面进攻赵国，接着攻克了朝歌（今淇县）、安阳（今安阳南）、邯郸（今属河北），当邯郸失陷，在井陉与汉军对峙的赵军主力进退两难，张耳与韩信在井陉大败赵军，赵将戚将军逃跑至邬县（今山西省介休县），被曹参斩杀。赵王歇逃到襄国，张耳与韩信追击，刘邦亦从邯郸北上攻打襄国，汉军南北夹击，攻破襄国，杀掉了赵王歇。项羽遣骑兵渡河争夺赵地，被汉军击退。燕王臧荼降汉。
汉三年十二月，韩信与张耳留下在赵国继续作战，刘邦返回荥阳。此前英布被随何策反，项羽派龙且攻打英布，英布战败，与随何回到了荥阳。刘邦召见英布，派英布重返九江，收聚数千人归汉，刘邦也离开荥阳，从成皋南下，到宛县（今河南南阳）、叶县一带迎接英布，给英布增兵，一起回到成皋。
刘邦据守荥阳，开始修筑甬道，由敖仓运输粮食来荥阳。与项羽对峙，双方进入相持状态。
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。
为了打破荥阳对峙的僵局，刘邦派靳歙与灌婴攻打楚军的粮道。靳歙切断了楚军从荥阳至襄邑的粮道，灌婴切断了楚军阳武至襄邑的粮道，命令靳歙与灌婴离开荥阳，越过梁地，与彭越联合，攻打楚国后方的鲁县（今山东曲阜），鲁县与齐国交界，又与彭越毗邻，是楚国的北部门户，战略意义重大。
由于调走了灌婴与靳歙两支汉军精锐，刘邦在荥阳与项羽艰难对峙。汉三年六月，韩信与张耳已平定赵国的反抗余波，南下至河内修武，接应刘邦。汉三年七月，刘邦令御史大夫周苛、枞公、魏豹等人守荥阳，离开荥阳北渡黄河，来到修武，命令张耳镇守赵国，拜韩信为相国，韩信请封张耳为赵王，刘邦同意。
刘邦调集原属韩信与张耳的军队，打算回到荥阳支援前线作战。此时项羽以荥阳发起猛烈进攻，周苛等人死守荥阳，汉三年八月，周苛以魏豹是反复无常之人，难与一起守城，于是杀了魏豹，周苛不能抵挡项羽的进攻，当月荥阳被攻陷，周苛宁死不降楚，被项羽所杀，韩王信被项羽俘虏。刘邦欲回到荥阳与项羽交战，郑忠劝谏刘邦，避开项羽的锋芒，驻扎在河内小修武，不与项羽交战，刘邦采纳。
此时，灌婴与靳歙在鲁县打败了项冠，得知荥阳已失，靳歙南下攻打楚国腹地以牵制项羽，灌婴率骑兵返回前线增援，在燕县（今河南延津东北）打败楚将王武，又在白马津打败楚将桓婴，过白马津渡黄河，到达河内与刘邦会合，护送汉王刘邦南渡黄河回到洛阳，此时项羽又攻破了成皋，到达洛阳附近的巩县，双方在巩县交战，楚军大败，不能继续西进。
刘邦在巩县遏制了楚军的攻势后，乘胜追击，意图夺回成皋，楚军坚持皋险要，汉军攻之不下，刘邦打算放弃进攻成皋，退守巩县与洛阳。谋士郦食其劝阻刘邦，不要退却，并向刘邦说明敖仓的重要性，放弃成皋与荥阳就意味着放弃敖仓。此时楚军后方受到靳歙的牵制，不能全力攻打敖仓，劝刘邦务必加紧进攻成皋，收复荥阳，坚守敖仓。并自请出使齐，劝说齐王田广降汉。
刘邦非常赞同郦食其的建议，让他出使齐国，同时派遣灌婴往邯郸调回一部分韩信镇守赵地之军回到前线，坚守敖仓，并以灌婴接任周苛的御史大夫之职。
郦食其不辱使命，以三寸之舌成功劝说齐王归降。齐王同意归降于汉，撤去历城的守军，示无反意，并与郦食其纵酒庆祝。
靳歙在鲁县打败项冠后，攻打楚国的腹地，此时攻克了缯县（今属山东苍山县）、郯县、下邳、蕲县、竹邑，几乎包围彭城。如果不出意外，平定了楚国后方的靳歙再从东面进攻，加上彭越的配合，攻打项羽的背后，据守荥阳与成皋的项羽必将被汉军包抄，夺回荥阳与成皋指日可待。但此时发生了一件令刘邦意想不到的事：韩信从灌婴口中得知刘邦已失荥阳与成皋，洛阳危急，并且齐国已被郦食其说降，韩信为了自己当齐王，在蒯通的蛊惑下，擅自攻打齐国撤去防守的历城，齐王大怒，以为是郦食其出卖了他，将郦食其烹杀，急忙派齐军再次防守历城，韩信不能攻下。
刘邦得知韩信攻打齐国，齐国叛汉，被迫抽调汉军主力以武力平定齐国，派灌婴、曹参、傅宽、蔡寅、陈涓、冷耳、柴武、王周等汉将赴齐助韩信攻打齐国。这样一来，失去荥阳与成皋的不利局面雪上加霜，攻打楚国后方的靳歙也不得不放弃进攻，回到巩县抵挡项羽。齐王不得已向宿敌楚国求援，项羽为了壮大自己考虑，也派龙且率20万楚军支援齐国。
项羽占据成皋天险，与汉军在巩县对峙，如果汉军再失巩县，洛阳也将不保。所幸敖仓还在汉军的掌控下，刘邦派人坚守巩县的同时，命令周勃、程黑、郭蒙等坚守敖仓，刘邦自己则驻军河内小修武（今属河南焦作），指挥全局，依黄河北岸驻守，封锁黄河渡口，以阻止楚军攻入河内平原，为了重新取得战略上的优势，汉军必须夺回成皋。但汉军的主力都用于攻打齐国了，兵力不够，为了补充兵源，调集一切可以团结的力量，刘邦派使者发往燕国，请求援助，燕王臧荼派温疥与昭涉掉尾率燕军助汉。彭越在梁地，可以对项羽的后方发起进攻，牵制项羽，使项羽不能首尾相顾。刘邦又命令刘贾与卢绾率领二万人渡过白马津，与活跃于楚军后方的彭越军配合，烧掉楚军的粮草。在燕县以西打败楚军，攻占睢阳(今河南商丘西南)等17座城池，项羽亲自攻打彭越与刘贾，留大司马曹咎守成皋，临行前嘱部将曹咎谨守成皋，遇汉军挑战，切勿应战，只须阻止其东进即可。汉四年冬十月，刘邦乘项羽东去兵力薄弱之机，反攻成皋。初时，成皋楚军坚守不战。刘邦数次遣人到阵前辱骂，终于激怒曹咎，率部出击。汉军乘楚军半渡汜水之时，全力反击，斩杀了曹咎，再次夺回成皋，并俘虏了前塞王司马欣与翟王董翳。乘胜进至广武(今河南荥阳东北)，并包围楚将钟离昧于荥阳以东。项羽急忙从睢阳回救，汉军鉴于兵力不足，暂时无力彻底消灭楚军，于是见好就收，据险坚守。（注：汜水在成皋以东，汉军从西边进攻成皋，必是先破成皋，后渡汜水，《项羽本纪》的记载可能有误。）
广武对峙
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）再次形成对峙。
此时灌婴、曹参等赶赴齐国助韩信攻破了历城、临淄，齐王田广逃到高密。项羽所派增援齐国的二十万楚军也被汉军消灭，楚将龙且被汉军阵斩，齐国全境也被汉军平定。汉四年二月，韩信自立为齐王。
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。”并向项羽宣布他的十条罪状。项羽恼怒之下，用暗箭偷偷射向刘邦，正中刘邦胸部，刘邦受伤，回到成皋养病。
项羽终究无力挽回楚国的颓势，战争的优势已完全向汉方倾斜。刘邦病好后，他终于可以放松一下了，命令樊哙守广武，周勃守敖仓，带上在汜水之战俘虏的前塞王司马欣，回到关中，将司马欣在他的原都城栎阳枭首，置酒慰问关中父老，四日后，带领关中兵又回到广武。
北方战线
安邑之战
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。
井陉之战
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势，即消灭了北方战场上强劲的敌手，为下一步“不战而屈人之兵”、兵不血刃平定燕地创造了声势和前提，并为东进击齐铺平了道路，从而造就了孤立项羽的有利态势。这虽然是一次战役规模的战争，但却有着战略性质的地位。
与此同时，刘邦亦亲攻赵。汉将靳歙兵出河内，击赵将贲郝于朝歌，破之。又随刘邦进击安阳以东，下七县；别将攻赵军，虏两司马，得赵军二千四百余人。接着刘邦对赵之邯郸发起进攻，破赵军，攻下邯郸。汉将靳歙破赵军于平阳，攻下邺。这样赵国悉平。
楚数使奇兵渡河击赵，张耳、韩信往来救赵，因行定赵城邑，发兵诣汉。汉王立张耳为赵王，拜韩信为相国。三年六月，刘邦再败荥阳，入赵，收韩信军，令韩信收赵兵未发者准备击齐。
韩信灭赵后，陈兵燕境，燕王臧荼迫于汉军兵威，加入汉方对楚作战。
南方战线
汉二年（前205年）四月，汉军于彭城战败后，刘邦为摆脱被动局面，争取张良“联络英布，重用韩信、彭越”的方针，派随何游说九江王英布，以达到分散并牵制了楚军的目的，减轻刘邦正面战场的压力。
汉三年（前205年）十一月，刘邦在正面对楚作战的同时，遣谋士随何游说九江王英布叛楚归汉。英布据有九江（郡治寿春，今安徽寿县）、庐江（郡治舒县，今安徽庐江西南）二郡，具有相当实力。英布归汉，项羽侧翼危急，忙遣龙且进攻九江军。
英布战不力，九江国悉为楚有，且家属亦尽为项声所杀。英布从隐蔽小道逃归汉国。
英布逃汉后，见刘邦，刘邦接见时非常无礼，以致英布十分后悔为汉，几欲自杀。但至刘邦为其安排的住处后，见与汉王宫室规格一样，十分高兴。之后汉王益兵英布，令其行收九江。
敌后战线
汉二年（前205年）四月，汉军于彭城战败后向西溃退，彭越把他攻占的城池又都丢掉，独自带领他的军队向北驻守在黄河沿岸。
汉三年（前204年），彭越经常往来出没替汉王游动出兵，攻击楚军，在梁地断绝他们的后援粮草。
汉三年九月，刘邦采用郎中郑忠之策，派将军刘贾、卢绾将卒二万人、骑数百，由渡白马津，进入楚地佐助彭越。汉军与彭越联军烧掉楚军积聚的粮草，楚军乏食。楚军回击刘贾，刘贾坚守不出不与楚军交战，与彭越互相呼应。
汉四年（前203年）冬，楚军和汉军在荥阳相持，卢绾、刘贾攻下睢阳、外黄等十七座城邑。项羽知悉后，就派曹咎驻守成皋，亲自向东收复了彭越攻克的城邑，又都归复楚国所有。彭越于是率军北上谷城。
汉五年（前202年）秋，楚军向南撤退到夏阳，彭越又攻克昌邑等二十多个城邑，缴获谷物十多万斛，用作汉王的军粮。
战争后期
灌婴击楚
汉四年二月，韩信自立为齐王，项羽为了避免被汉军三面包围，项羽派武涉赴齐国，游说韩信，劝他发兵助楚，攻打刘邦，但齐国的汉将都是刘邦的亲信，韩信虽然想这样做，但无能为力，以“汉王刘邦待他甚厚，不忍背叛”为由拒绝了武涉的请求。
御史大夫灌婴离开齐国，率汉骑南下，首先进攻楚国的鲁地，大破楚将薛公杲于鲁北。南下再破薛郡长，攻博阳，进军至下相，夺取取虑、僮、徐等县。接着渡过淮河，进至广陵（今江苏扬州），尽降楚国城邑。
项羽急忙派项声、薛公、郯公夺回淮北。灌婴北渡渡淮，在下邳大破项声、郯公军，将薛公斩首，夺取下邳。接着追击楚军，破楚军于平阳（南平阳，今山东邹城市），回师还攻并占领彭城，俘虏楚柱国项佗，降服留、薛、沛、酂、萧、相等县。攻苦、谯，再次俘获亚将周兰。
灌婴平淮北后，后来与刘邦军会师于颐乡（位于今河南鹿邑县）。
鸿沟议和
汉四年（前203年）八月，楚军粮尽，项羽被迫议和，刘邦亦未能调来韩信、彭越援军，于是双方订立和约“中分天下”，划鸿沟（古运河，位于今河南荥阳以东）为界，东归楚、西属汉。楚汉两军在荥阳、成皋一线相持两年零五个月后，休兵罢战。
和约定立后，刘邦派使者至楚营请求放还刘邦家属，但都一一遭到拒绝。后来侯生往使，成功说服项羽放还刘邦家人。刘邦拜侯生为“平国君”，但侯生受封之后即隐退。
固陵之战
汉四年（前203年）九月，项羽遵约东撤，刘邦亦欲西返。张良、陈平认为“汉有天下太（大）半，而诸侯皆附之。楚兵罢（疲）食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。
此时灌婴已攻克楚国的都城彭城，项羽对夺回彭城没有信心，只得离开荥阳向南撤退。
汉五年（前202年）十月，刘邦率领大军追击项羽，命令靳歙先击破盘踞在济阳的项悍，此时灌婴还在平定彭城周边之地，到了阳夏南，停止进军，派使者招韩信、彭越前来会合，韩信当了齐王后，欲坐观楚汉成败，拒绝了刘邦的调遣，彭越亦以魏地刚刚平定不能前往为由予以拒绝。刘邦追项羽至固陵（今河南太康南），因齐王韩信、建成侯彭越按兵不动，未如期会师，遭楚军攻击，大败，楚将灵常降汉，被迫坚壁自守。
刘邦预测到项羽将往楚国的故都陈县、寿春据守。分兵与刘贾，渡过淮河，先占据陈县南边的寿春，断截项羽的下一站据点，并策反楚国大司马周殷。灌婴已完全平定淮北，项羽率军南撤，汉军追击，击败楚将钟离昩。
陈下之战
项羽南逃至陈县，大将钟离眜也赶到，十一月，汉将靳歙从济阳来与刘邦会合，同时平定淮北的灌婴到达苦县（今河南省鹿邑县）的颐乡，刘邦与灌婴会合，对驻陈的楚军形成东西夹击合围之势，大败项羽，陈县县令利几降汉。
城父之战
陈下之战项羽战败后，率残兵败将继续南逃。此时刘贾已攻占了寿春，项羽无心攻打寿春，立即调转马头，转向东南方逃跑，据守在城父。
刘贾派人策 了楚大司马周殷，周殷叛楚，以舒县之兵屠戮了六县，与英布一同北上.，与刘贾会合，离开寿春，前往城父攻打项羽。身在齐国的韩信，见项羽大败，三分天下已无望，于是离开齐国，来到城父与刘邦会合，最后，汉方“屠城父”，所谓屠城父，是强攻与血洗城父(今安徽亳县东南城父集)的意思。可以想见，屠城父是汉方打击盘据于城父的楚军的一次硬仗。
垓下之战
项羽逃离城父，逃至垓下，汉军迅速跟上，将10万楚军包围于垓下（今安徽灵璧）。
楚军兵少食尽，屡战不胜，夜闻四面楚歌，军心瓦解。项羽大惊曰：“汉皆已得楚乎？是何楚人之多也！”，于是夜起慷慨悲歌，曰：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”“歌数阕，美人（虞姬）和之（参见霸王别姬）。项王泣数行下，左右皆泣，莫能仰视”。
乌江自刎
是夜项羽率800余骑兵趁夜突围南逃，天明后刘邦方才发觉，遂派灌婴率数千骑兵追击。
楚军渡过淮河后只剩下百余骑，逃至阴陵（今安徽定远县西北）时因迷路，问路一田父，田父诓骗而左行，结果陷于沼泽，致使汉军追上。
至东城（今安徽定远县境内）时，仅剩下28骑，项羽自度难以脱身，却依然说：“天亡我，非战之罪也。”
逃至乌江（今长江，位于今安徽和县东北乌江镇）时，乌江亭长力劝项羽过江，以图东山再起，项羽却说：“天之亡我，我何渡为！且籍与江东子弟八千人渡江而西，今无一人还，纵江东父兄怜而王我，我何面目见之？纵彼不言，籍独不愧于心乎？”自觉无颜见江东父老，不肯渡江。
接着在力杀汉军数百人后，自刎而死。
战争结果
垓下一战，刘邦全歼楚军，获得最后胜利。项羽败亡后，楚地陆续平定，最后唯原项羽封地鲁不下，汉军乃以项羽头示鲁，鲁遂降，楚国至此全部平定。
楚汉战争末期，属楚国阵营的衡山王吴芮、九江王英布先后归附汉王刘邦，唯临江王仍不听命。
汉五年（前203年）十二月，汉军又攻破临江国都江陵（今湖北荆州），俘虏项羽所立的临江王共尉。
公元前202年2月28日，刘邦在定陶正式称帝（即汉高祖），建立了西汉王朝。
公元前196年，南越王赵佗上表称臣。至此，天下归于一统。
