诸侯见刘邦败，转投项羽，塞王司马欣和翟王董翳入楚为将。赵国发现汉并没有杀张耳，赵兵退去反与汉为敌，魏王魏豹回到荥阳，断绝了黄河渡口，也背叛了刘邦，只有彭越独自带领他的军队向北驻守在黄河沿岸。
项羽虽取得彭城之战胜利，但齐地战事却不利。在其率军击诸侯联军时，田横尽收齐地。但田横复国后并未攻楚，而是中立于楚汉之间，直至郦食其说齐。
刘邦到下邑，父亲刘太公、母亲刘媪和妻子吕雉被楚军俘获，被拿住做人质，刘邦派人去沛县寻找家室。张良向刘邦规划下一步对策。张良说：“九江王黥布，楚枭将，与项王有隙；彭越与齐王田荣反梁地：此两人可急使。而汉王之将独信可属大事，当一面。即欲捐之，捐之此三人，则楚可破也。”刘邦采纳张良建议。谋士随何自荐往说九江王英布，刘邦来到荥阳，与曹参、灌婴、靳歙平定雍丘王武的叛乱，程处在燕县反叛，楚柱天侯在衍氏反叛，羽婴在昆阳反叛，都被曹参平定，樊哙重新取得鲁地与梁地。
汉二年（公元前205年）六月，刘邦回到关中，汉军水攻废丘，雍王章邯在抵抗了十个月兵败自杀，至此三秦悉为汉有。刘邦收关中士卒回到荥阳。
随何劝降九江王英布，英布叛楚，项羽派龙且、项声攻打英布。项羽亲自进攻下邑，继续向西进攻，至荥阳，刘邦拜灌婴为中大夫，统率骑兵，在荥阳以东大败项羽，又在于“京县”（今河南郑州荥阳豫龙镇京襄城村附近）、“索亭”（今河南荥阳索河街道）之间击败楚军，将项羽楚军击退到荥阳以东。
京索之战后，汉军稳住阵脚，楚军也无力突破汉军防线进攻关中。双方从来开始在荥、成一带拉锯，战争进入相持阶段。
京索之战，汉军击败楚军，项羽退回荥阳以东，而汉军亦不能过荥而往东。楚汉相持于荥阳。刘邦派郦食其劝说魏王魏豹重新归汉，遭到魏豹的拒绝，汉二年八月，刘邦派曹参、韩信兵分两路攻打魏国，即月攻破安邑，曹参俘虏了魏豹，将魏豹带至荥阳。汉二年九月，刘邦派陈豨、韩信、曹参攻打代国，后九月，平定代国，斩杀代相国夏说。
汉三年十月（公元前205年），刘邦派原常山王张耳收复赵国故地，韩信与张耳一同前往，陈兵井陉，赵王因代地已失，又闻汉军攻打井陉关，集结赵军主力至赵国北部抵挡汉军的进攻，此时刘邦趁赵国南部空虚，离开荥阳，北渡黄河，攻克河内，从南面进攻赵国，接着攻克了朝歌（今淇县）、安阳（今安阳南）、邯郸（今属河北），当邯郸失陷，在井陉与汉军对峙的赵军主力进退两难，张耳与韩信在井陉大败赵军，赵将戚将军逃跑至邬县（今山西省介休县），被曹参斩杀。赵王歇逃到襄国，张耳与韩信追击，刘邦亦从邯郸北上攻打襄国，汉军南北夹击，攻破襄国，杀掉了赵王歇。项羽遣骑兵渡河争夺赵地，被汉军击退。燕王臧荼降汉。
汉三年十二月（公元前205年），韩信与张耳留下在赵国继续作战，刘邦返回荥阳。此前英布被随何策反，项羽派龙且攻打英布，英布战败，与随何回到了荥阳。刘邦召见英布，派英布重返九江，收聚数千人归汉，刘邦也离开荥阳，从成皋南下，到宛县（今河南南阳）、叶县一带迎接英布，给英布增兵，一起回到成皋。
刘邦据守荥阳，开始修筑甬道，由敖仓运输粮食至荥阳。与项羽对峙，双方进入相持状态。
项羽率军数次攻夺甬道，汉军粮食短缺，于是刘邦向项羽要求和议，荥阳以西归汉，以东归楚。项羽打算接受，范增认为优势在握，如果放虎归山，必成后患。所以项羽率军加紧围攻荥阳城。刘邦认为范增是个大碍，所以给予陈平四万斤黄金，要他去离间项羽和范增的君臣关系。项羽中计，削其兵权，范增大怒而告老回乡，于途中病故。
为了打破荥阳对峙的僵局，刘邦派靳歙与灌婴攻打楚军的粮道。靳歙切断了楚军从荥阳至襄邑的粮道，灌婴切断了楚军阳武至襄邑的粮道，命令靳歙与灌婴离开荥阳，越过梁地，与彭越联合，攻打楚国后方的鲁县（今山东曲阜），鲁县与齐国交界，又与彭越毗邻，是楚国的北部门户，战略意义重大。
由于调走了灌婴与靳歙两支汉军精锐，刘邦在荥阳与项羽艰难对峙。汉三年（公元前204年）六月，韩信与张耳已平定赵国的反抗余波，南下至河内修武，接应刘邦。七月，刘邦令御史大夫周苛、枞公、魏豹等人守荥阳，离开荥阳北渡黄河，来到修武，命令张耳镇守赵国，拜韩信为相国，韩信请封张耳为赵王，刘邦同意。
刘邦调集原属韩信与张耳的军队，打算回到荥阳支援前线作战。此时项羽以荥阳发起猛烈进攻，周苛等人死守荥阳，八月，周苛以魏豹是反复无常之人，难与一起守城，于是杀了魏豹，周苛不能抵挡项羽的进攻，当月荥阳被攻陷，周苛宁死不降楚，被项羽所杀，韩王信被项羽俘虏。刘邦欲回到荥阳与项羽交战，郑忠劝谏刘邦，避开项羽的锋芒，驻扎在河内小修武，不与项羽交战，刘邦采纳。
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