汉高祖三年春正月，项羽击田荣于城阳，田荣败走到平原，平原人杀掉了田荣。齐人尽降楚，楚人焚烧齐的城郡，齐人又叛变于楚。汉王派诸将攻克北地，俘虏了雍王之弟章平。赦免罪人。二月五日， 命令百姓废除秦朝的政权标志— — —社稷坛，立汉朝的社稷坛。普施恩德，赐民爵禄。蜀汉人民因供应军需负担甚重，免其租税二年。关中士卒从军的，免除其家赋税一年。凡普通百姓年逾五十，德高望重，能领导大家为善的，安排他为三老，每乡一人。选择三老一人为县三老，和县令、 县丞、 县尉共议政事，免除其役戍。以十月份为酒肉慰劳人民之月。
三月，汉王从临晋渡黄河，魏王豹归降，领兵随汉王出征。攻克河内，俘虏了殷王邛，设置河内郡。兵至修武，陈平逃出楚军归顺汉王。汉王和他谈话，甚为欣赏，派他任参乘之职，监视诸将。南渡平阴津，到达洛阳，新城三老董公拦马说汉王道： “臣听说 ‘顺德者昌，逆德者亡’ ，‘兵出无名， 其事不成’ 。所以说： ‘公布敌人的罪状，敌人才能被打败。’ 项羽素来无道， 弑杀义帝， 是天下罪人。己有仁，不必用勇而天下自服，己有义，不必用力而天下自定，让三军都为义帝披上孝衣，并传檄布告诸侯，说明此次用兵是为义帝被弑而东讨逆贼，如此则四海之内都会仰戴大德。这是可以追从三王的义举。 ” 汉王说： “正确之极，不是老人家的教诲我是不懂得的。 ” 于是汉王为义帝发丧，按丧礼左袒而大哭， 公开追悼三天。派使者遍告诸侯： “天下共立义帝，北面而朝。今项羽弑义帝于江南，实为大逆不道。寡人亲为发丧， 全军尽着素衣，尽起关中兵卒，聚会三河将士，顺汉水入长江南下，愿随各位侯王之后，缉拿弑君的元凶。”夏四月， 齐王田荣之弟田横收得被项羽所击溃的余众有数万人， 立田荣之子田广为齐王。
项羽此时虽已得知汉王东进的消息，而已经兵发齐地，就想消灭了齐以后再迎击汉兵，所以汉王得以乘机兼并魏、殷等五诸侯之兵，东伐楚。兵到外黄，彭越率领三万之众归附于汉。汉王封彭越为魏相国。令他平定梁地。汉王于是进入楚项之都彭城。收取了项羽的美女与宝货，举行庆祝胜利的酒会。项羽闻讯，另派一大将击齐，自领精兵三万人从鲁经胡陵，到萧县， 凌晨攻击汉军，大战于彭城灵壁之东的睢水之滨，大败汉军，对汉军大肆屠戮，尸塞睢水水不流。楚兵围汉王三重。狂风从西北卷来，树折房破，飞砂走石，白昼如同黑夜， 楚军一时大乱。而汉王乘乱时与数十骑冲破重围逃走。行经沛县，派人寻找眷属，全家已逃亡，不知去向。汉王在奔走途中遇见子孝惠与女鲁元， 共登一车仓惶而去。楚骑兵追赶汉王，汉王见情势危急，就将子女推下车去。滕公又将二人收登于车，总算逃离虎口。审食其与汉王父太公及夫人吕后从小道逃走，反与楚军相遇，项羽将他们安置军中做人质。诸侯见汉军已全面溃败， 都落荒而逃了。塞王欣、 翟王翳降顺于楚，殷王邛死了。汉王妻兄周吕侯领兵马驻于下邑县，汉王前往其处安身。逐渐聚集败散的士卒，进驻于砀县。
汉王向西路经梁地，到虞城县，对挟策求见他的随何说： “先生去劝说九江王英布要他举兵叛楚，项羽就会留下兵力进攻英布。只要项羽能留下兵力数月，我就一定能夺取天下。 ” 随何奉命去劝说英布，果然使英布叛楚。五月，汉王之兵在荥阳集结，萧何征集关中老弱及尚未成年的人都到部伍中去。韩信也收聚士卒与汉王会师，汉王此时又军威重振。与楚军在荥阳南边京、 索之间交锋，打败了楚军。汉军在道路两侧筑垣墙，通到河边，以运取临河倚山的敖仓粮食。此时魏王豹以看望母病为名请假回原籍。回籍后即封锁渡口，为楚军抵御汉军。
六月，汉王返回都城栎阳， 初六日，立太子，赦免罪人。命令诸侯之子在关中的都集中到栎阳为近卫。引水攻废丘，废丘归降， 雍王章邯自杀。雍州平定，有八十余县， 置河上，渭南、 中地、 陇西、 上郡。令祠官祭祀天地四方上帝山川，按时进行祠祭。派关中士卒登守边塞。此时关中大饥， 斛米值万钱， 人吃人。安排饥民聚集到蜀、 汉地区去渡荒。秋八月，汉王到达荥阳，对郦食其说： “请以善言劝说魏王豹，要是劝说成功，就封先生为魏地万户侯。 ” 食其衔命前往， 魏王豹拒不听从。汉王派韩信为左丞相，与曹参、 灌婴一起讨伐魏王。食其回报，汉王问道： “魏大将是谁 ？” 食其答：“柏直。 ” 汉王说 “这是一个缺乏战斗经验的毛头小子， 不是韩信的对手。骑将是谁 ？ ” 食其答： “冯敬。 ” 汉王说： “他是秦将冯无择之子， 虽有才能， 但不是灌婴对手。步将是谁 ？” 食其说： “项它。 ” 汉王说： “他也不是曹参对手。我不必担忧了。 ” 九月，韩信等俘虏了魏王豹，押解到荥阳。平定魏地，设置河东、 太原、 上党郡。韩信派使向汉王请兵三万人，愿意北灭燕、 赵， 东击齐，南绝楚粮道。汉王按数拨给韩信士卒。
三年冬十月，韩信、 张耳东下井陉攻赵，斩杀陈余，俘获赵王歇，设置常山、 代郡。十月三十日，日食。十一月三十日，又日食。
随何已经说服英布附汉，英布就起兵攻楚，楚派项声、 龙且进攻英布，英布接战失利。十二月， 英布与随何抄小道向汉王求援，汉王分兵为助，一起收兵到成皋。
项羽多次夺取汉兵取粮甬道， 汉军粮食缺乏。汉王与郦食其商量如何削弱楚项势力。食其想立六国之后为汉羽翼，汉王刻六国王印， 将派食其前往分封。询问张良之见， 张良认为分封六国有八大难题。汉王立即放下正在进餐的碗箸，他说： “食其这无知小子几乎坏了老子的大事 ！” 传令迅速销毁所刻的六国印。又请教陈平，并听从了陈平的计策。给陈平黄金四万斤，以挑拨离间楚项的君臣关系。
夏四月， 项羽围困了汉王的军事重镇荥阳，汉王请求讲和， 以荥阳为界， 界西为汉。亚父范增劝项羽要猛攻荥阳，汉王深感不安。陈平此时已通过贿赂收买了楚军部分将领去诋诬范增，项羽果然对范增产生了怀疑。范增怒气填膺地离开了楚营，忧愤之中发疽而死。五月，将军纪信对汉王说： “情况严峻极了 ！ 臣假扮大王以骗楚军，大王可以乘隙而出围。 ” 于是陈平于夜间在荥阳东门放出女子二千余人， 引起楚兵四面追赶。纪信扮汉王乘车。黄盖王旗出东门， 他说：“粮食已尽，汉王投降于楚。 ” 楚军齐呼胜利万岁，都到城东去观看汉王投降，因此汉王得以乘间率领几十名骑兵出西门逃走。派御史大夫周苛、 魏豹、 枞公守荥阳。项羽见是纪信， 大声喝道： “汉王何在 ？ ” 纪信从容答道： “早已远走高飞了。 ”项羽烧死了纪信。城中的周苛、 枞公相商说： “魏豹是反国之王， 难与守城。 ” 就把魏豹杀了。汉王走出荥阳重围，行到成皋，从成皋入关，收集军马准备再次东征。辕生向汉王建议说： “汉与楚相持于荥阳已两年，汉常处于被动。希望大王兵出武关，项王一定会引兵南去，大王深沟高垒，与之相持，令荥阳成皋的汉军有休整之机。另派韩信等安定河北赵地，连燕齐为一片，然后大王重新兵发荥阳。如此，则楚要拉长防线， 分散兵力。汉兵得到休整后，再与楚军交锋，一定能打败楚军。 ” 汉王接纳了这条妙计，出军于宛县与叶县之间，与英布在此地进行游击。项羽听说汉王驻兵于宛，果然领兵向南讨伐， 汉王坚守壁垒不和他交锋。本月，彭越渡过睢水，和楚将项声、 薛公交兵于下邛，打败楚兵并杀死薛公，项羽派终公守成皋，亲自领兵向东报复彭越。汉王乘间引兵北上，打败驻于成皋的楚将终公，重新收复了成皋。六月，项羽已经打败并驱逐了彭越， 听说汉兵又攻取了成皋，就领兵向西猛攻荥阳城，生擒主将周苛，项羽对周苛说： “投归我，我封将军为上将军，封赏三万户。 ” 周苛怒叱道：“你不迅速降汉，马上要成为俘虏了 ！ 你是敌不过汉王的。 ” 项羽烹杀了周苛， 同时处决了枞公，俘获了韩王信，接着围困了成皋。汉王仓猝逃走，只和滕公同车出成皋北门，北渡黄河， 夜宿于小修武。清晨，自称为汉王使者， 驱驰入张耳、 韩信的阵地， 亲自掌握这支队伍。就派张耳到北边赵地去调集汉兵。