汉王刘邦元年（公元前206年）四月，刘邦率所部三万人经子午谷去南郑就国，刘邦接受张良的建议，烧绝所过栈道，示项羽无东归之意。
六月，田荣杀齐王市自立为齐王，命彭越击楚，项羽命肖公角率军击彭越，为彭越击败，田荣已威胁楚国的安全。
次年正月，项羽大破齐田荣军于城阳（山东鄄城东南），田荣逃往平原（山东平原南），为百姓所杀。项羽又立田假为齐王，进军至北海（山东东北部），“烧夷城廓、室屋、坑田荣降卒，俘虏其老弱妇女，所过多所残灭，齐民相聚叛之，”这时刘邦已东出故道，还定三秦，项羽“虽闻汉东，既击齐，欲遂破之而后击汉”，所以没有还军，仍留齐地。十月间，派人杀义帝。刘邦为义帝发丧，号召诸侯共击项羽，为义帝报仇。四月，刘邦率诸侯兵五十六万人，趁项羽留齐未返、楚地防守薄弱，一举攻破彭城。彭越率三万人归汉，刘邦拜彭越为魏相国，命他率军略定梁地。
项羽得知刘邦攻占彭城，留诸将继续击齐，自己急率精兵三万还救彭城，大破汉军。仅被赶入谷水、水而死的即达十余万人。其余汉军悉数南逃，楚军追击至灵璧东睢水，汉军被挤入水的又十余万人，睢水为之不流。刘邦退守荥阳，诸侯兵又纷纷背汉向楚。但项羽未立即派大军西追刘邦。
田荣叛于北，刘邦反于西，一开始就是两面作战的态势，但田荣并吞三齐，齐地又紧连彭城，已直接威胁项王腹地的安全，所以项羽先齐后汉亦未可厚非。但要改变局势，必须采取各个击破、速战速决的战略方针。项羽未能掌握此点。尤其是项羽对齐地采取烧杀政策，导致齐军散而复聚，齐民奋力抵抗，给了齐王可乘之机；项羽在大破田荣军后，未能暂时放下北线，转用主力于西线，所以刘邦才得以集中五十六万诸侯兵，一举攻占彭城。在击齐时，只派一个仅当过吴县令的郑昌为韩王，去抗击刘邦，是严重失误，使刘邦能在很短时间内尽占黄河南北地区。
项羽还救彭城是一次成功的战略反击，部队精悍，行动快速，使刘邦猝不及防；以肖县、彭城为主要突击方向也非常恰当，从背后突击刘邦军，抓住了刘邦的弱点；同时还切断了刘邦的后方联络线，大大影响了刘邦军队的士气，水、谷水等地障，也有利于在彭城地区歼灭刘邦等。项羽的战役追击也很出色，以快速的行动截击刘邦军于睢水北岸，又歼灭其十余万人，连刘邦本人也几乎被俘。可惜的是项羽没有把战役追击发展为战略追击，这是项羽在战略上的又一关键性错误。当时刘邦逃出战场后，只有一些残兵败将随他返回荥阳。如果项羽不满足于收复彭城，派出主力实施战略追击，不给刘邦以喘息的时间，刘邦是难以在荥阳站住脚的；如果楚军长驱直入，至少关东可以复为项羽所有，加上诸侯背汉向楚，优势和主动权将重新为项羽所掌握。
