立楚怀王后，项梁率军北上救齐赵，在亢父、东阿大破秦军。这时齐军因田间、田都、田角之故，引兵还齐。只有楚军追击秦军。于是项梁下令楚军分军，以刘邦、项羽为帅，率楚军一部攻城阳。刘项二人率军攻下城阳，屠之。然后追击秦军至濮阳东，再次大破秦军。秦军这时得到补充，军势复振，守濮阳、环水。刘项二人不与之战，绕过进攻定陶。定陶未下，放弃，西攻雍丘（今河南杞县）。沛公将曹参大破秦兵，斩杀三川守李由，并俘虏秦侯一人。
　　之后，刘项二人还攻陈留，未下。这时秦将章邯大破项梁于定陶，项梁本人亦战死。刘项二人大惊，两人商量后决定放弃陈留，还军东归。刘项二人分兵，项羽军驻彭城西、吕臣军驻彭城东，而沛公军驻砀。

　　怀王迁都
　　项梁之死，使诸侯震怖。而秦军更是挟战胜余威常追亡逐北。章邯经过一连番胜利，认为楚国已不足虑，于是北上进攻赵国。攻下邯郸后迁其民于河内。而赵军退守巨鹿，章邯率军进围赵王歇与赵相张耳于巨鹿。
　　这时楚怀王把都城由盱眙迁至彭城，并项羽军与吕臣军自将。封项羽为长安侯，任鲁公；封沛公刘邦为武安侯，任砀郡长，将本部兵驻砀。以吕臣为司徒，其父吕青为令尹。经过一番调整之后，楚国局势稳定下来。

入关灭秦
　　沛公西征
　　赵王与张耳困于巨鹿，遣使至楚向楚国求救。楚怀王经过商议后答应救赵。但为了分散秦军力量，决定派一支部队西向直接攻秦。北路楚军以宋义为主将，西路军以刘邦为主将。约定谁先入关中，谁就是关中王。
　　当时由于秦军军势正壮，楚国上下皆不看好西征，都不愿意领军西征。于是他们以沛公为西征军统帅西征，借口是刘邦为人宽厚，可以减少西进阻力。而项羽则因为叔父之死，积极要求随沛公西征。但楚诸老将皆以项羽为人“僄悍滑贼”及“所过皆残灭”不利于西征为由拒绝了项羽的要求，让他担任北路军的次将北上救赵。

　　两攻昌邑
　　沛公军由砀出兵，北上先行收集陈胜、项梁的散卒。至成阳，与秦军夹壁杠里。沛公军出击秦军，大破秦军，秦将王离逃走。接着，沛公引兵西进，遇彭越于昌邑（今山东巨野县大谢湖镇昌邑村）。两人合力攻昌邑，未下，沛公还军至栗（今河南夏邑）。在栗，遇刚武侯，夺其军，沛公军队增加了四千多人。接着与魏将皇欣、魏申徒武蒲军合攻昌邑，又没攻下。沛公刘邦决定舍弃昌邑不打，率军西行。