在此之前，英布被汉使者随何说动，举兵反楚。项羽急遣项声、龙且讨伐英布，使兵力受到很大牵制。六月，刘邦返回汉都栎阳，采取措施安定后方，并令丞相萧何治理关中，负责补充兵员，供应粮秣。同年八月，韩信奉命开辟北方战场。九月破魏，后九月破代，十月灭赵降燕。刘邦亦遣兵一部渡河水，攻克河内、朝歌、安阳、邯郸，接应韩信。项籍此时始察汉军意图，几次遣骑兵渡河争夺赵国土地，均被韩信击退。十二月，被龙苴击败的英布潜行至荥阳，协助刘邦防御。不久，项籍全力发动攻势，多次切断甬道，使汉军乏食。刘邦听郦食其之言，欲遣使复立六国贵族后裔，以分散楚军力量，被张良阻止。后纳陈平之谋，遣奸细散布流言，离间项籍上下关系。汉三年即公元前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，使项籍猜忌主要谋士范增，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。项籍烧死纪信，指挥楚军大司马龙苴紧围荥阳，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。项籍率领龙苴、钟离昧等主力南下，汉军坚壁不战。其时，彭越军渡睢水，在下邳击杀楚将薛公。项籍留终公守成皋，自领兵东征彭越。刘邦乘机北上，击败终公，收复成皋。与此同时，刘邦又派灌婴和靳歙深入楚军后方，断楚军粮道，灌婴、靳歙进展迅速，率骑兵突袭荥阳、阳武到襄邑粮道，另外深入到鲁下，在鲁下大破项冠楚军。丁复同时也在叶击破楚军。六月，项籍击败彭越，复以凌厉攻势拔荥阳，龙苴和虞云梦杀周苛，进围成皋。刘邦仓促逃出成皋北门，渡河水北去。楚军欲乘势西进，被汉军阻于巩县一带。八月，刘邦率原属韩信指挥的汉军临河水北岸，欲与项籍交锋，复纳郑忠之言，深沟高垒，坚壁不战。同时，命韩信在赵国土地组建新军击齐；遣卢绾、刘贾率兵2万渡白马津，深入楚地，协助彭越扰楚后方。九月，项籍闻彭越等攻下睢阳、外黄等十七城，大惊，复领兵东归。临行，留大司马曹咎守成皋，嘱其谨慎勿战。刘邦欲舍弃成皋以东地区，专力屯守巩县、洛阳。郦食其极力谏阻，劝刘邦乘楚军无暇西顾之机收复荥阳，占据敖仓，攻夺成皋，控制用兵要地，相机破敌，并又自荐游说田广，使其附汉。刘邦从其计。十月，刘邦连续数日遣士兵辱骂曹咎，激其出战。曹咎领兵出城，渡汜水，欲与汉军交锋。刘邦趁其半渡，挥军猛攻，大破楚军，再次收复成皋。曹咎及司马欣、董翳皆自杀。刘邦遂率汉军驻于广武，取食于敖仓，并围楚将钟离昧于荥阳东。项籍率领大司马龙苴迅速攻下梁地十余城，得知成皋再度易手，急率主力西进，解荥阳之围，然后屯军广武，与汉相持。成皋之战开始于四月份的时候。五月京索之战后，楚军差不多修整一年左右。楚军攻打荥阳的军队为五十万有余，项籍的兵力强大，大司马龙苴号称二十万没有损失的楚军，加上大司马曹咎没有损失的楚军，以及大司马周殷的军队没有投靠汉军，另外项冠、项悍等军队没损失，还有项声集团的军队，项声的军队人马不少，为了保卫楚国都城彭城在淮北之战项声军队中让灌婴击败损失好几个将领;曹咎和龙苴同是大司马，龙苴带有二十万楚军，曹咎率领十万人马;加上项籍自己中军，项籍自己中军约有近二十万左右。楚军进攻荥阳有五十万楚军，楚军差不多是十倍荥阳汉军，所以层层包围荥阳汉军。
汉三年四月，项籍经过一年的修整发动大军进攻，刘邦亲自坐镇荥阳抵抗项籍。项籍经过上次京索之败后，项籍经过一年整兵备武扩充军力带领数十万军队以泰山压顶之势准备一举拿下荥阳。荥阳此时汉军的数量很少，汉军防守荥阳这样的小城，最多不超过五万。成皋之战一开始刘邦处于劣势，完全是楚汉力量过于悬殊，所以才导致汉军一开始的失利。但经过半年的较量刘邦终于挽回失利最后取得以弱胜强。荥阳之战开始，汉地巴蜀、三秦以及关中门户武关、峣关以及洛阳八关函谷、伊阙、广成、大谷、轘辕、成皋、孟津、平津都有要分兵把守，曹参、樊哙守敖仓重地。张耳、韩信此时继续稳定赵国土地，陈豨攻略代地，骑兵将领灌婴、靳歙深入楚地后方，敌后骚扰隔断项羽粮道，所以刘邦能用部队也不多，而且防守荥阳也不需要太多的军队，刘邦只要用少量的汉军就能牵制项籍何乐而不为呢?其余汉军主力正可以用来攻城略各地。第一，放弃成皋让项籍得到成皋军事重地后必然派重兵把守分散了楚军力量，项籍派终公防守成皋。第二，刘邦出兵武关到宛、叶调动项籍南下，项籍南下不可能解围荥阳，项籍不可能在荥阳粮断了很久快要拿下荥阳而放弃荥阳，所以南下之际应该安排曹咎和龙苴等悍将继续率领数十万楚军围困荥阳。第三，项籍南下后，刘邦令彭越、灌婴、靳歙等人威胁楚军后方以及粮道让项籍回军。项籍为使回军安全在叶派兵防守，使项籍更进一步分散了兵力。丁复在叶击破楚军，而刘邦乘机北上大破楚军终公收复成皋，不久项籍返回荥阳，在荥阳彻底粮尽拿下荥阳。第四，刘邦再次放弃成皋，项籍派曹咎率领重兵防守，为了再次调动项籍回军，刘邦派刘贾援助彭越烧项籍粮草，十月，刘邦趁项籍回军之际大破曹咎再次收复成皋。成皋之战使项籍数十万楚军损失大半，由优势力量转换为劣势，在广武进退两难。刘邦只用了半年时间就扭转了不利局面。广武对峙期间汉军数量应该和楚军数量差不多持平，此时谁也吃不下谁，但是时间一长项羽籍马上承受不起，粮草地盘慢慢消失殆尽，项籍只有撤退百分之百战败。成皋大战六个月，对峙十一个月，追歼二个月。刘邦和项籍对峙近一年，毕竟项籍不是能比的，无论实力和军事能力，所以刘邦和项籍对峙一年也很正常。刘邦以弱小的力量，在成皋之战中战胜强大的楚军，这除了政治上注意争取人心和团结内部外，军事上的胜算主要在于对战略全局处置得比较适当和作战指挥的高明正确。这具体表现为：第一，重视战略后方基地的建设，使汉军在人力物力上得到源源不断的补充，能够坚持长期的战争。第二，彭城失利后，鉴于汉弱楚强的实际情况，适时改变战略方针，转攻为守，持久防御，挫败项籍的速决企图。第三，制定出正面坚持、南北两翼牵制，敌后袭扰的作战部署，并坚决付诸实施，使楚军陷于多面作战的困境，顾此失彼。第四，实施灵活机动的作战指导，致人而不致于人，千方百计调动对手，使之疲于奔命；并积极争取外线，逐步完成对楚军的战略包围。第五，巧妙行间，分化瓦解敌军，善于争取诸侯，最大限度地在军事上孤立项籍本人。成皋之战是中国战争史上后发制人、疲敌制胜策略的题一次成功典范。刘邦先在成皋之战采取先疲后打方针，以主力坚壁蓄锐，待机破敌，遣偏师袭扰敌后，断其粮道，逐渐削弱敌之力量，积极创造战机，在项籍疲敌撤兵的路上适时转入进攻，在进攻中连续追击削弱敌人，穷追猛打不给敌方喘息之气，连续作战，终获全胜。项籍作为一员叱咤风云的历史人物，在当时的政治舞台上曾放射过夺目的光彩，然而他最终还是失败了，这与他政治上、军事上的失策是密切相联的。他分封诸侯，违背了历史发展的趋势；他嗜杀好战，激起了民众的反对；他不重视争取同盟，造成了自己的孤立；他不善于起用人才，团结内部，导致了众叛亲离；他不注意战略基地建设，以至于无法长期支持战争；他缺乏战略头脑，只知道一味死打硬拚，没有主要的打击方向，决定了他虽然能够赢得不少战役、战斗的胜利，但却不能扭转战略上的被动，最终导致了战争的彻底失败。成皋之战，是楚汉战争中具有决定性意义的一仗，它使楚汉之间的实力对比发生彻底的改变。