使者很生气，回去报告项羽。项羽从此怀疑范增与汉私通，对范增提的一些主张不再采纳。范增为此大怒，对项羽说：“天下事大局已基本定了，大王你好自为之吧。请让我做一个普通百姓安度天年。”项羽同意。这样，范增就离开了项羽，还没有走到彭城，背上生疮，气愤而死。

    五月，楚军对荥阳的攻势更加猛烈。在这种情况下，将军纪信建议刘邦，让自己代替刘邦假装投降，以使刘邦借机逃离。于是纪信坐着刘邦的车子，从东门出降，吸引楚军四面包围，刘邦带着几十个骑兵从西门突围而走。项羽没有捉住刘邦，气得把纪信烧死了。

    项羽占领荥阳后，接着又攻克重镇成皋（今河南荥阳汜水镇）。汉王四年（公元前203年）十月，成皋被刘邦收复。刘邦攻占成皋后，立即进围荥阳。项羽听说成皋失守，立即回师。刘邦撤围后退，两军在荥阳东北的广武山形成对峙。对峙数月，项羽感到这样下去对自己不利。因为刘邦夺取成皋后，可以从敖仓取得军粮，而楚军却由于彭越在后方骚扰，经常袭击粮道，军粮供应不上。为了逼迫刘邦投降，项羽想出了一个方法，把前时俘虏的刘邦的父亲太公带到了阵前，对刘邦说：“现在你不赶快投降，我把你的父亲烹了。”不料刘邦对此毫无所惧，竟说：“我和你曾受命怀王，‘约为兄弟’。我的父亲就是你的父亲，如果你一定要烹了你的老子，那么看在兄弟份上也分给我一碗肉汤吧。”项羽气得发昏，当时就要杀掉太公。项伯劝他说：“究竟谁能得到天下还不知道，况且争夺天下的人也不顾家室，即使杀了也不起作用，只会使两方的怨仇更深罢了。”项羽只好作罢。

    不久，项羽又向刘邦单独挑战。刘邦却笑着拒绝说：“我和你只斗智，不斗力。”然后指责项羽有十大罪状说：“你负约王我于蜀汉，是一罪；杀卿子冠军（宋义）以自尊，是二罪；救赵后本当还报，却率兵入关，是三罪；烧秦宫室，私收其财，是四罪；杀秦降王子婴，是五罪；坑秦降卒20万，是六罪；分封不均，是七罪；赶义帝出彭城，自己为都，是八罪；暗杀义帝，是九罪；为人臣而杀主，为政不平，是十罪。我率领义兵和诸侯一齐来诛灭奸贼，又何苦与你单独挑战呢？”项羽听后大怒，弯弓射中了刘邦的胸部。

    双方这样对峙了10个月，刘邦兵盛食多，项羽兵疲食绝。最后在辩士侯公的说和下，刘邦和项羽约定：双方以鸿沟（今河南荥阳、中牟、开封一带）为界，“中分天下”，西边属汉，东边归楚。项羽送还了刘邦的父亲和妻子。

    鸿沟之约后，项羽率兵东去，刘邦也想引兵西还。张良、陈平进谏说：“汉已据有天下大半，诸侯又都归附，楚已兵疲粮尽，这是天要亡楚之时，不借这个机会消灭项羽，那真是养虎遗患了。”刘邦醒悟，立刻向楚军追击。

    汉王五年（公元前202年）十月，刘邦在阳夏之南追上项羽。他遣使与韩信、彭越约期会师，共击项羽。到了固陵（今河南太康西），韩、彭两军未至，项羽向刘邦发起攻击，汉军大败。刘邦只好又坚壁固守。他向张良寻求计策，张良说：“若能以齐地实封韩信，以梁地实封彭越，他们肯定会全力帮你击败项羽。”于是刘邦派人通告韩信、彭越，只要他们并力击楚，打败项羽后，就封他们为齐王和梁王。韩、彭立即回报：“我们马上进兵。”这时，楚大司马周殷也被刘邦劝降，淮南王英布也带兵前来会战。这样，汉军在兵力上占据了绝对优势。到十二月，双方在垓下会战，汉军30万人团团围住了项羽。

    项羽当时已兵少粮尽。一天夜里，他突然听到四面汉军皆歌楚声，以为汉军已全部占领楚地。心中悲伤，便起来在帐中饮酒。他让美人虞姬陪饮，命人牵来心爱的坐骑“乌骓”，然后悲歌慷慨地唱道：“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