項梁起義後，徵集精兵八千，項羽做了裨將(副將)。爲了便於號召，採納謀士范增建議，立前楚懷王的孫子熊心爲王，建都於盱眙，仍稱楚懷王。項梁率義軍在和秦軍戰鬥中接連取勝，產生了驕傲輕敵思想。結果在定陶(今山東定陶縣西北)被秦軍章邯指揮的軍隊打敗，項梁戰死。
定陶之戰後，秦軍北渡黃河，攻打起義抗秦的趙王歇和張耳，將趙軍圍困於鉅鹿(今河北平鄉)。楚懷王任命宋義爲上將，項羽爲次將，率兵救援。宋義率軍到達安陽(今河南安陽南)，便畏縮不前，屯兵四十六天。當時，陰雨連綿，起義軍缺衣少糧，處於困境之中。項羽當機立斷，殺了宋義，迫使楚懷王任他爲上將軍，並命他立即揮師北上救趙。
項羽率車進抵漳河南岸與秦軍隔岸對峙。他先派英布、蒲將軍帶領二萬精兵渡河，切斷秦軍運糧通道。隨後親率主力渡河，鑿沉船隻，毀壞炊具，燒掉營舍，每人只帶三天口糧，這就是著名成語「破釜沉舟」的由來。一到戰場，楚軍便以雷霆萬鈞之勢，迅雷不及掩耳的行動，把秦軍包圍起來。項羽身先士卒，衝鋒陷陣，楚軍個個勇猛殺敵，一以當十，九戰九捷，大敗秦軍，俘獲秦將王離，殺死秦副將蘇角，迫使秦副將涉間自殺，解了鉅鹿之圍。在項羽軍與秦軍激戰時，各路諸侯援軍卻縮在壁壘上觀看，不敢參戰。戰鬥結束後，項羽召集援軍將領，他們「入轅門，皆膝行而前，莫敢仰視」。項羽成了諸侯軍的統帥。
鉅鹿之戰後，項羽乘勝追擊，秦軍節節敗退，軍心渙散。章邯見大勢已去，率二十萬秦軍投降了項羽。項羽卻在西進途中，在新安城(今河南繩池東)下令將這二十萬降卒全部坑殺。這時，另一路起義軍漢高祖乘秦軍主力被項羽牽制在鉅鹿，關中空虛，佔領了咸陽。
項羽大爲不滿，率軍破關而入，進駐鴻門(今陜西臨潼東北)。當時項羽軍四十萬，漢高祖軍不足十萬，雙方力量懸殊。漢高祖自度力量不敵項羽，便採納張良計策，拉攏項羽叔父項伯，親自到鴻門請罪。鴻門宴上，觥籌交錯中閃爍著刀光劍影。項羽的謀士范增幾次舉起所帶玉塊，暗示項羽殺死漢高祖，項羽卻優柔寡斯，被漢高祖藉故逃脫。
這就是歷史上有名的「鴻門宴」的故事。項羽依靠強大兵力，暫時壓制漢高祖。引兵進入咸陽，「殺秦降王子嬰，燒秦宮室，火三月不滅，收其貨寶、婦女而東」(史記?項羽本紀)。項羽挾其軍事上的餘威，以諸侯上將軍自居，發號施令。他自立爲西楚霸王，取樑、楚之地九郡(佔有今江蘇、安徽、山東、河南部分地區)，定都彭城(今江蘇徐州)。同時又割地封王，分封了十八個諸侯。封漢高祖爲漢王，王漢中、巴蜀，企圖限制漢高祖勢力的發展，使其不得東進。結果養虎貽患，導致漢軍勢力日後捲土重來。
由於項羽分封不公，引起諸侯和功臣不滿。先是田榮據齊反楚，項羽急忙率軍討伐，漢高祖便乘隙東進。公元前二0八年八月，漢軍從漢中潛出故道，打敗項羽所分封的秦地三王，迅速東進，直抵陽夏(今河南太康)。接著，又乘項羽與齊軍交戰之際，一舉攻入楚都彭城，羽急忙率三萬精兵還救彭城。
此時，漢高祖仗恃兵多將廣，麻痹輕敵。項羽軍則收復失地心切，鬥志旺盛。三萬楚軍在項羽率領下，出山東經胡陵(今山東魚臺東南)趨蕭(今江蘇簫縣西北)，直抵彭城漢軍側背。戰鬥從拂曉開始，楚軍勇猛頑強，邊打邊衝。
到了午時，已將漢軍打得大敗。楚軍追到彭城東北的泗水，漢軍紛紛落水，死者十餘萬。漢軍向南方山地潰逃，楚軍追擊至靈壁(在今安徽省)以東的睢水上，又殲滅數十萬人。漢高祖只率數十騎逃出重圍，連妻子呂雉和父親太公都作了項羽的俘虜。彭城一戰，項羽決策果斷，迅速率精兵回救彭城，出敵不意，擊潰漢軍數十萬之衆，是戰史上以少勝多的範例。
彭城之役後，項羽乘勝進軍，在京邑、索亭間(滎陽西、南)同漢高祖打了一仗，結果被阻於滎陽以東。雙方在成皋一帶相持兩年之久。這期間，漢高祖採取了正確的作戰指導，扼守成皋，在持久戰中消耗對方實力，伺機反擊;項羽找漢高祖決戰，又急攻不下。雙方力量對此發生了根本變化，漢軍由弱變強，項羽由強變弱。
