秦末原诸侯国趁着反秦起义的风波纷纷复国。秦将章邯与王离围攻赵国于巨鹿，楚怀王派项羽率军救赵。项羽以破釜沉舟的决心与勇气，奋勇死战，九战九捷，大败秦军。巨鹿之困因此得解。
围攻巨鹿
陈胜、吴广起义点燃了秦末农民起义的熊熊烈火，然而夹杂在农民起义军中间的，还有很多原诸侯国的贵族势力，他们更倾向于借用起义军的力量推翻大秦、恢复诸侯国。所以，当陈胜、吴广起义因为秦将章邯的抵抗而遭遇挫折时，他们就自立山头，纷纷复国，对陈胜起义袖手旁观。很快，章邯摧毁张楚政权后，就将矛头转向这些恢复了的诸侯国。章邯首先进攻齐国，齐王田儋战死；随后进攻楚国，杀死楚将项梁。楚国因为项梁之死受到重创，项梁手下各路起义军首领项羽、刘邦以及吕臣纷纷撤走。章邯因此以为楚国已经不足为虑，于是率秦军北上，联合秦将王离攻赵。
王离是秦国名将王翦之孙，他率军收复上党郡之后，从南北两面夹击赵国首都信都。由于受到赵国与齐国、燕国联军的抵抗，王离军一直被阻于漳水南岸，直到与章邯大军会师以后，两军合力才攻破了邯郸城。赵王被迫东迁，退入巨鹿城（故地在今河北平乡西南）中，向其他各国紧急求援。王离与章邯改变了作战策略：由王离率军将巨鹿城团团围住，而章邯军则为处在前线的王离大军做掩护，为其源源不断地提供敖仓的粮草，做好长期作战的准备。章邯准备以逸待劳，静待各国援兵到来，则将其一举歼灭，就算各国援兵不到，等巨鹿粮尽兵疲之时也可以一举将其攻占。
巨鹿城被包围长达三个月，城外的秦军因为粮食供应充足，士气旺盛，攻势日益猛烈，而城内存粮日渐减少，加上兵士伤亡惨重，士气低落，形势十分危急。赵将陈馀并未随赵王退守巨鹿城，而是率残部北上进入恒山郡，驻扎在秦军以外，等待时机解救巨鹿危机。陈馀兵力薄弱，无法进攻秦军，只能一面令赵军深沟高垒、坚壁自守；另一面不断向楚、齐、燕、魏各国请援。困在城内的赵王等得不耐烦，派张耳出城催促陈馀进攻，陈馀无奈之下只能以赴难同死的行动取信于赵王和张耳，以五千人为先锋进攻王离大军，结果五千人全军阵亡，无一生还。从此陈馀再也不敢轻举妄动，只能坐等援兵到来。
斩杀宋义
赵求救于楚。此时，执掌楚国实权的项梁已死，楚怀王与诸将对今后反秦战争做了具体部署并约定：由先入关中者称王。项羽主动请缨进攻关中，但楚怀王考虑到项羽过于剽悍凶猛、难以控制，所以并没有答应他的请求，而是将攻取关中的重任交给了刘邦。怀王认为，刘邦为人稳重、宽宏大度，西进有利于争取民心，功成之后也不会难以驾驭，所以更倾向于让刘邦关中称王。当赵来求救时，怀王任命项羽去协助宋义，率楚军北上援赵。
楚军以宋义为上将军，项羽为次将，范增为末将，浩浩荡荡地北上。当大军行至安阳时，宋义突然下令停止前进，打算坐观秦赵相斗。项羽几次催促急行，宋义却并不理睬，只说：“坐而运策，你还比不上我宋义。”令项羽极为恼火。正在此时，齐国派人来延聘宋义的儿子宋襄到齐国出任国务大臣，宋义非常高兴，就离开楚军驻地，亲自到齐国边境无盐为儿子设宴送行，招致楚军上下的不满。
项羽趁宋义离军在外的机会，就策动楚军部将：“赵国形势急迫，我军却停滞不前。今年饥荒，本来粮食就很难征集，现在天寒大雨，后勤供应不畅，军中存粮见底。这时，我军应该速渡黄河，依靠赵国的粮食供给，与赵合力攻秦，才是上策。国家安危，在此一举。而宋义身为主帅，却不体恤大家饥寒交迫的处境，不急于救赵，反而滞留无盐，与齐国勾结，实在不是国家栋梁、社稷忠臣所为。若不除掉宋义，楚国就没有希望啊！”诸位部将都支持项羽的提议。
当宋义送子回到安阳楚军大营时，项羽冲入宋义营帐，拔剑斩杀宋义，假称：“宋义与齐国勾结叛国，大王密令将其诛杀！”楚军上下无不慑服，共同拥立项羽为首领。项羽派将军桓楚前往楚都彭城报告怀王此事，怀王无奈，只能任命项羽为上将军，继续领兵救赵。
苍头军
秦二世二年（前208），陈胜被害，其部将吕臣组织“苍头军”，在新阳（今安徽界首北）重举义旗，继续进行反秦斗争，不久攻克陈，处死杀害陈胜的叛徒庄贾，“张楚”的旗帜重新在陈的城头飘扬。“苍头军”在反秦斗争中有较大影响，但其成员的社会地位问题，却让后世学术界歧义难消。一说苍头军是奴隶军。据《汉书》的《霍光传》、《鲍宣传》载，奴婢的一种称谓为“苍头”。查《史记》，书中并无汉代名奴为苍头的记录，可见这种称呼出现较晚，与秦末的苍头军应无必然联系。一说苍头军与其他农民军一样，是一支头戴青帽或以青巾裹头的军队。《史记·苏秦列传》中有“今窃闻大王之卒，武士二十万，苍头二十万，奋击二十万，厮徒十万，车六百乘，骑五千匹”之语。这段记载说明，武士、奋击、厮徒都是战国时代魏国军队的不同称号，而苍头与之并列，可见并非奴隶的称谓。《史记索隐》引晋灼的话说：“殊异其军为苍头，谓著青帽。”《战国策》的注文中，也有类似解释。这些注释都证明，“苍头军”是头部有特殊标记以示区别的军队，与奴隶无关。综上所述，后一说的意见似乎更为可信。
巨鹿决战
项羽出任上将军后，立即起兵北上，从平原津（故地在今山东平原）渡河。他首先命英布和蒲将军统领两万楚军先锋渡过黄河，英布等上岸之后立即对部署在棘原和巨鹿间的秦军后勤支援部队发起进攻。当时秦军是从棘原用船将敖仓的粮食运到前线巨鹿，所以章邯非常重视棘原，在粮道两侧修建壁垒驻军守卫，称为甬道。英布和蒲将军率楚军一举攻破秦军甬道，截断秦军粮食供给线，将章邯军与王离军分割开来。得到先锋部队旗开得胜的消息后，项羽率楚军主力渡过黄河，在英布与蒲将军的掩护下迅速抵达漳河，与王离军对峙。
项羽大军的到来大大鼓舞了巨鹿城内的赵军与城外的各国联军。陈馀军早已在巨鹿城北修筑壁垒，等待配合项羽进攻。张耳的儿子张敖也率领代郡兵前来救援，大约一万人驻扎在陈馀军旁。燕王韩广也派部将臧荼统领燕国援军南下，也驻扎在陈馀军旁。诸国联军不敢主动攻击秦军，都在等待项羽大军到来一起进攻。
秦军由于粮道被切断，一时之间陷入诸国联军的包围之中。项羽一面令英布和蒲将军就地坚守阵地，阻止章邯与王离的联系，另一面自己率楚军主力渡过漳河与秦军决战。渡河之后，项羽下令全军将士一律备足三天用的干粮，同时凿沉全部渡船，焚毁全部帐篷，砸碎釜甑等炊事用具，自绝退路，激励楚军将士拼命杀敌绝不退后。“破釜沉舟”之举不仅震动了全军，而且成为青史留名的壮举，被后世广为传颂。
没有退路的楚军唯有在三天之内击退秦军，全军上下人人无不誓死决战。巨鹿城外战火弥漫，楚军将士人人奋勇当先，怒号击杀秦军，秦军步步溃败，军营逐一被焚。一日之内，楚军与王离军大战九次，连战连捷，攻破秦军甬道，拔除秦军壁垒，巨鹿城外血流成河，唯有楚军的旗帜高高飘扬。此时固守坚垒的各国联军被项羽大军的勇猛作战完全震撼了，眼看着秦军败局已定才反应过来，纷纷开营出军，配合楚军攻击，终于彻底击败秦军。秦军主将王离被俘，副将苏角被杀，副将涉间也拔剑自刎。
战争结束后，项羽传令召见诸侯将军，诸将无不战战兢兢地低身膝行穿过堆尸如山、血流成河的战场，进入军营拜见项羽时，竟然没有人敢抬头仰望项羽。巨鹿之战使项羽一战成名，项羽因此被推举为诸侯联军的统帅。
章邯投降
巨鹿惨败之后，章邯率军退守漳河一带，依托河内郡、河东郡、三川郡以及敖仓粮库、黄河漕运，构筑起坚固的防御工事，集结兵力，仍然顽强抵抗诸国联军的进攻，战争一直持续了七个月。章邯以为，秦军在漳河南岸设防，只要利用漳河天险，坚守住河内，战局就可能有转机。项羽大军歼灭王离之后，迅速率领诸国联军向漳河紧逼过来。项羽仍然以英布和蒲将军为先锋，寻求与章邯军主力决战。章邯军坚守不出，步步为营，向河内郡安阳县收缩。
本来秦二世对章邯巨鹿战败就极为恼火，这次章邯军又接连后退，更叫秦二世和秦廷不能理解，于是二世连连派人到章邯军中催战，章邯陷入内外交困的险境。不久，赵将司马率赵军从上党郡南下，攻入河西郡，抵达黄河孟津北，切断了河内郡与河东郡的联系，本来司马想南渡孟津攻占三川郡，彻底包围章邯军，切断其粮道，击败秦军。然而这时，已进入颍川郡的刘邦为了与司马抢功，率军突袭，攻占孟津，迫使司马军放弃南渡。
刘邦与司马两军相争，给了章邯军喘息的机会。章邯立即派长史司马欣入咸阳求兵，没想到司马欣一连等了三天，也没有被秦二世召见。司马欣恐怕是赵高从中作梗，秦二世才不接见自己，这样下去恐怕赵高会借机杀死自己，以彻底阻拦自己向秦二世报告秦军战事不利的消息。司马欣于是匆匆赶回军营，果然赵高派人追杀他，司马欣一路有惊无险，才回到军营。得知司马欣没有求到援兵反而差点丧命的消息，章邯实在是对秦二世以及秦廷失望至极。正在此时，陈馀派人送信给章邯，劝说他不要走白起、李斯的老路，最终身首异处，还是投降项羽最好。对秦大为失望的章邯开始动摇，派心腹前去与项羽谈判。
此时，赵将申阳率军从北边的上党郡直接攻入河内郡，切断了章邯军与关中的联系，包围了章邯军。章邯无奈之下，只能答应与项羽议和。前207年七月，项羽在殷墟（故地在今河南安阳）接受章邯军的投降。至此，秦军的主力部队之一——章邯军就此投降项羽，大秦帝国的根基也随之动摇。
