上文说到，汉三年（前204年）四月，楚军围困刘邦于荥阳。刘邦于危急之际，始行缓兵计，遣使求和，愿割荥阳以东予楚；继施反间计，使项羽猜忌主要谋士范增，致范增愤然辞去，发病而死。五月，刘邦用将军纪信计，令周苛等坚守城池，以纪信作替身，出东门诈降，自与陈平等趁乱由西门逃离荥阳，经成皋入关。项羽烧死纪信，指挥楚军紧围荥阳，夺占成皋。
刘邦在关中征得新兵，本欲东进，被辕生谏阻，乃依其言引兵经武关出宛、叶，以吸引楚军，减轻荥阳一线汉军压力。项羽率主力南下，汉军坚壁不战。
刘邦夺韩信军
彭城之战后，汉王在彭城兵败时，士兵向西溃散，彭越也失去了攻下的所有城池，自己便独自率领部队驻扎在黄河沿岸上，常常作为汉军的游击部队往来袭击楚军，断绝楚军后方的粮食供应。当月，彭越率军渡过睢水，与项声、薛公战于下邳，击败了楚军，诛杀了薛公。项羽于是命令终公坚守成皋，而自己率领部队向东去攻打彭越。汉王引兵北进，击败了终公，再度率军驻扎在成皋。
汉高祖刘邦三年（前204年）六月，项羽已经击败并赶走了彭越，听说汉军又重驻扎在成皋，便引兵向西攻下荥阳城，生擒了周苛。项羽对周苛说：“如果你投降，成为我的将领，我任命你为上将军，封三万户。”周苛骂道：“你如果不赶快投降汉王，很快就成了俘虏。你不是汉王的对手。”项羽便烹杀了周苛，也将枞公杀害，俘虏了韩王信（另一个韩信），随即包围了成皋。
汉王逃离成皋，独自与滕公同乘一辆车出成皋的玉门，向北渡过河，住在小修武的馆舍中。次日清晨，汉王自称是汉使者，骑马进入赵军营地。张耳、韩信还没起床，刘邦在卧室内就夺走他们的印符，用指挥旗召集诸将领们，更换了众将们的职位。
韩信、张耳起床后才知道汉王来了，非常吃惊。汉王夺了两人的军权，随即命张耳巡行各地，坚守赵地。又封韩信为相国，要他收集赵国尚未征发的军队去攻击齐国。汉军的诸将领也渐渐地逃出成皋，追随汉王。楚军攻占了成皋，准备率军向西进攻，汉军在巩县阻拦，使楚军不能西进。
成皋数次易主
汉高祖刘邦三年（前204年）秋季七月，汉王得到韩信的军队之后，士气大振。八月，带兵来到黄河岸边，向南在小修武驻扎下来，准备再次与楚军作战。郎中郑忠劝阻汉王，要他高筑营垒，深挖战壕，不要与楚军交战。汉王采纳了郑忠的意见，派遣将军刘贾、卢绾率领二万名士兵，骑兵数百人，渡过白马津，进入楚地，辅助彭越，将楚军积聚的粮草辎重烧毁，以破坏楚军的军备基础，使其不能再供给前方军队粮食。楚军进攻刘贾，刘贾始终坚守营垒不肯与楚军交战，与彭越相互支援。
彭越攻占了原梁国的土地，夺取了睢阳、外黄等十七座城邑。汉高祖刘邦三年（前204年）九月，项王对大司马曹咎说：“守住成皋，即使汉王来挑战，你也要小心千万不要与他交战，不让他东进就可以了。我在十五天内一定平定梁地，回来再和你会合。”项羽随即率军向东进军，攻击陈留、外黄、睢阳等城，全部收复了这些地区。
汉王想放弃成皋以东的，驻扎在巩县、洛阳以抵抗楚军。郦食其说：“敖仓，作为天下粮食的转运站已经很久了，那里储藏的粮食非常多。楚人攻取了荥阳，不坚守敖仓，却引兵东去，只命令些因犯罪被罚充军的士兵守成皋，这是上天在帮助汉军啊。现在楚军容易攻取而汉军反倒退却，我私下里认为这是不对的。况且两雄不能并存，楚、汉长久以来相持不下，使得海内动荡不安，农夫放下手中的农具停止了耕作，妇女走下织布机不再织布，天下百姓的心不能安定下来。希望大王赶快再度进兵，收取荥阳，占据敖仓的粮食，抢占成皋之险，堵塞太行的通道，断绝飞狐隘道，坚守白马津渡口，向诸侯们显示大王已据有的地形及军事优势，这样一来，天下的人便知道自己该归附谁了。”汉王听取了郦食其的建议，再度计划谋取敖仓。
楚国的大司马曹咎奉命留守在成皋，汉军数次进行挑战，楚军坚守不出。汉军于是派人前去轮番辱骂曹咎，接连数日，曹咎被激怒，率军横渡汜水。楚国的士兵刚渡过一半，汉军便对楚军发起攻击，大败楚军，获得楚国的全部金银玉器和财物。曹咎和司马欣都在汜水河上自杀。汉王于是率军渡过黄河，再次攻取成皋，驻扎在广武，取用敖仓的粮食作军粮。
刘邦坚守不出
项羽攻下了梁地十余座城后，听说成皋又被汉王攻破，就率军立即返回。这时汉军正在荥阳东围攻钟离眜，听说项羽率军又回来了，全都撤到险要的地方。项羽也将军队驻扎在广武，与汉军相持了数月。楚军的粮食越来越缺乏，项王感到忧虑，便架设一个砧板，把高祖的父亲放在上面，告诉汉王说：“今天不赶快投降，我就烹杀你的父亲。”汉王说：“我和你曾一起作为臣子面向北接受楚怀王的命令，结为兄弟，所以我的父亲就是你的父亲，如果你一定要烹杀你的父亲，希望你分给我一杯羹。”项王听了大怒，想把太公杀了。项伯说：“天下的事还不可预料，况且争夺天下的人是不顾及家的，即使杀了他的父亲也没好处，只是增加祸害罢了！”项羽听了项伯的话，没有杀刘邦的父亲。
项王对汉王说：“天下忧攘不安了好几年，只是因为我们两个人争持不下罢了。我愿意和你汉王挑战，决一雌雄，不要让天下的老百姓白白地受苦！”汉王笑着谢绝说：“我宁可与你斗智，不与你斗力。”项王三次命令壮士出阵挑战，但都被汉军中能骑善射的楼烦射杀了。项王因此大怒，便自己被甲持戟上阵挑战。楼烦想要射杀他，项王瞪着大眼愤怒地厉声呵斥，使楼烦双眼不敢正视项羽，手中的箭不敢发出，遂进入军营，不敢再出来。汉王派人暗中探听那个挑战者是谁，才知道原来是项王本人。汉王大吃一惊。