项羽乃悉引兵渡河，皆沉船，破釜甑，烧庐舍，持三日粮，以示士卒必死，无一还心。于是至则围王离，与秦军遇，九战，绝其甬道，大破之，杀苏角，虏王离。涉间不降楚，自烧杀。
——《史记·项羽本纪》
在刘邦率兵西进南阳郡之际，巨鹿战场也已经分出了胜负。
当初，刘邦率兵西进的同时，项羽也随宋义领军五万北上救赵。然而，宋义领军行至邯郸郡的安阳县后，却就此停兵不前，而这一停就是四十六天。
宋义停兵不前的原因很简单，他自己手中只有五万人马，而对面却是足足超过三十万的秦军，面对六倍于己的敌人，宋义实在没有主动进攻的资本。宋义刚刚被提拔为将军，巨鹿之战乃是他执掌兵权以来的第一战，对于他树立威望十分重要，不由得他不谨慎。
实际上，不仅宋义面对庞大的秦军不敢轻举妄动，燕国臧荼、齐地田都、齐地田安等援赵的各路义军，也都是停兵于巨鹿战场外围，不敢贸然参战。甚至就连赵将陈馀，也只是驻军于巨鹿城北，只是牵制王离围城的大军，而不敢轻易出兵解围。
由于援军迟迟不到，巨鹿城危在旦夕，张耳派遣张黡、陈泽去向陈馀求援，希望他能尽快出兵帮助巨鹿解围。然而，陈馀却认为，自己虽然收拢了数万军队，但仅凭自己手中这些新军，根本不是秦军的对手，即使回援也不过是“以肉委虎，徒尽亡军”，自己如今驻军于巨鹿以北，还可牵制秦军，使其不敢全力攻城，若是自己这支军队也被葬送，秦军全力攻城，那才真的是大势已去了。
可是，面对至交好友张耳派来的使者，陈馀又不能置之不理，万般无奈之下，只好勉强抽出五千援兵，由张黡、陈泽统领回救巨鹿，结果这五千人连个浪花都没能激起，便全军覆没了。得知消息，各路援军更是不敢轻举妄动了。
项羽眼见大军如此空耗钱粮，尤其是在得知刘邦率军西进一路势如破竹的情况下，心急如焚的他连忙前往拜见宋义，劝道，“如今秦军围攻巨鹿甚急，应该火速领兵渡河，如此楚国在外攻击，赵军在内接应，秦军必败”。
宋义闻言，却是笑着摆了摆手，说道，“不然，要击打牛身上的牤虫，就没必要太过在意虱子。如今秦军攻赵，即便打赢了也必然将士疲惫，到时候我们便可趁秦军疲惫之机发动进攻；如果秦军不胜，那我们便可立即率军西进，这样必然能够一举灭秦。因此，不如先让秦赵两军相斗。冲锋陷阵我不如将军，但运筹帷幄，将军却不如我。”说罢，便将项羽赶出了帅帐，并下令全军，“凡是有敢违抗军令擅自出战者，一律处斩！”
秦二世三年（前208年）十一月，宋义派遣自己的儿子宋襄前往齐国为相，为此不仅亲自将他送到无盐，还在回营后大摆宴席招待宾客。
项羽因为屡次劝说宋义无果，本就心生怒气，又见天气寒冷，天降大雨，士兵们又冷又饿，而宋义却在军中饮酒作乐，心中更是恼火。在自己部下面前埋怨道，“本当合力攻秦，却长期滞留不前。而今天下连年荒歉，百姓困顿，士兵吃的是蔬菜拌杂豆子，军中没有存粮，他却还要摆设酒宴盛会宾客，不领兵渡黄河，取用赵地的粮食作军粮，与赵军合力击秦，却说什么‘乘秦军疲惫之机发动进攻’。
以秦军之强生攻打刚刚建立的赵国，势必会取胜，赵国被攻占，秦军将会更为强大，哪里还有什么疲惫的机会可乘！况且，我军新近刚刚吃了败仗，楚王坐立不安，集中起全国的兵力交付给将军，国家安危，在此一举。现在他不体恤士兵，而去屈从于一己私利，哪里像个以国家为重的忠臣。”
项羽部将闻言，便劝说项羽不如杀了宋义夺取兵权，然后出兵攻秦。闻言，项羽默默看了一眼那个部将，然后便陷入了沉思，良久之后才缓缓点了点头。
次日清晨，项羽前去拜见宋义，趁着宋义宿醉未醒，一刀将其斩杀，然后提着宋义的头告诉将士们说，“宋义想要联合齐国谋反，楚怀王暗中命我将其斩杀。”
将士们大多对宋义心存不满，闻听此言，纷纷推举项羽暂代上将军，即使有那不服之人，但眼见宋义已死，慑于项羽之威，也不得不赞同附合。之后，项羽派遣桓楚将此事告知楚怀王，熊心得知消息，暗骂宋义无能，但事已至此，他也只能接受现实，于是派人任命项羽为上将军，统领楚国援赵军队。
夺取兵权后，项羽派遣当阳君英布和蒲将军率领两万士兵渡河，多次攻打章邯给王离输送粮食的甬道，想要切断王离军团的补给，但因秦军数量太多，收效甚微。赵将陈馀遂请项羽再次发兵，项羽于是率领全军渡河，破釜沉舟，全军只携带三天粮食，以必死的决心向秦军发动进攻。
项羽率军向章邯军团与王离军团的结合部接连发动进攻，与秦军先后大战九次，迫使章邯军团向南收缩，从而彻底切断章邯军团与王离军团的联系，切断了王离的补给线。
击退章邯后，项羽继续率兵北上进攻王离军团。见到项羽击退了章邯，其他各路援军大受震撼，这才纷纷向巨鹿进兵，配合项羽围攻王离军团，杀死秦将苏角，活捉王离，秦将涉间见大势已去，举火自焚而死，王离军团或死或逃全面溃散，巨鹿之围遂解。
鉴于项羽和楚军在此战中的表现，各路援军对项羽十分敬畏，纷纷奉他为主，请他统率诸侯联军。
直到此时，被秦军围困了数月之久的赵歇和张耳这才得以走出巨鹿城，感谢前来增援的各路义军。张耳见到陈馀，责问其为何不肯回援，并追问张黡、陈泽的下落，陈馀回答说，“张黡、陈泽以同归于尽责备我，我派他们带领五千人马先尝试着攻打秦军，结果全军覆没，没有一人幸免。”
张耳哪里肯信，怀疑是陈馀不想回援，这才杀死了两人。
陈馀见相交多年的张耳竟然怀疑自己，怒道，“没有想到你对我的怨恨竟然如此之深，你以为我是舍不得这将军之位吗？”说罢，便解下印信交给张耳，张耳惊愕万分，不肯接受，陈馀怒而起身，将印信放在了桌子上，转身离去如厕。
这时，有个宾客劝说张耳道，“陈将军把印信交给您，您不接受，便是违背天意，会遭遇不祥，赶快接受吧。”张耳这才拿起了桌上的印信，戴在了自己身上。
陈馀归来，发现张耳果然收了印信，心中更是悲愤交加，愤而转身离去。于是，张耳收编了陈馀的军队，陈馀则率领着亲信部下数百人，前往了黄河边的湖泽之中捕鱼打猎去了。原本极为交好的陈馀和张耳，就此反目成仇。
王离军团被消灭后，章邯被迫向西收缩兵力，准备应对诸侯联军的进攻。
项羽则命令诸侯联军从巨鹿向西进军，在章邯军团的西部和北部布置防线，项羽自己则率军退回漳水以南，切断章邯渡河撤退之路。
此时的章邯，虽然手中仍有二十万军队，但由于项羽切断渡河退路，再加上司马卬攻陷河内郡，刘邦攻破东郡，切断了后勤补给，处境可谓十分不妙。
面对步步紧逼的诸侯联军，章邯虽然数次抵挡住了诸侯联军的攻势，但面对不断收缩的包围圈，只能被迫不断向西收缩兵力。到最后，章邯军团以西被太行山所阻，其余三面则皆为诸侯联军，可谓陷入绝境。
为了挽回败局，章邯在积极巩固防线的同时，派长史司马欣返回关中，希望皇帝发兵救援。然而，当司马欣风尘仆仆的赶回关中，才发现此时的秦国已经变了天，左丞相李斯、右丞相冯去疾、御史大夫冯劫已死，赵高接任丞相把持朝政后，便任命弟弟赵成担任郎中令，掌握宫城内外禁卫军，又任命女婿阎乐担任咸阳令，执掌咸阳防务。
这种情形下，返回咸阳的司马欣，只能先去求见赵高。然而，听说前线兵败的赵高大为恼怒，直接闭门不见，而没有赵高的同意，司马欣也根本见不到胡亥。如此在咸阳盘桓数日，想尽了各种办法也没能见到赵高或皇帝，担心前线有失的他，只能离开咸阳返回前线，而在返回前线途中，司马欣甚至还遭到赵高派人追杀，幸好司马欣没有原路返回，这才幸免于难。
司马欣返回前线后，将咸阳形势告知章邯，并对章邯说道，“如今赵高掌权，即便我们打赢，他也会嫉妒我们的功劳；而如果战败，则必然会被处死。希望将军深思熟虑啊！”
不久，陈馀也派人给章邯送信，劝说章邯与诸侯议和。然而，章邯仍然难以下定决心，一来项梁毕竟是死在自己手中，二来将领们到底是何想法，自己有些拿不准。
就在章邯犹豫不定之际，赵高却帮他下定了决心，由于没能追上司马欣，赵高便以皇帝胡亥的名义给章邯下了一道旨意，对其兵败巨鹿予以了严厉斥责。如此一来，章邯麾下的董翳等将领也忿忿不平起来，纷纷劝说章邯与诸侯议和。
如此情形下，章邯才终于下定决心，派人前往楚军大营与项羽商量议和之事，但项羽却并不同意议和，而是要求章邯投降，双方于是又从军事层面的拉锯，变成了谈判桌上的拉锯。
秦二世三年（前207年）六月，就在章邯和项羽在谈判桌上拉锯之际，刘邦在拜别韩王成后，与张良率军南下南阳郡。
彼时，由于颍川郡秦军的战败，为了防止义军进入南阳郡，南阳郡郡守吕齮率军驻守于南阳郡和颍川郡交界处的犨县（今河南平顶山西南），试图阻止刘邦攻入南阳郡。
刘邦与吕齮于犨县以东交战，吕齮战败不敌，率军退守南阳郡治所宛城（今河南南阳），刘邦则率军进抵阳城。
刘邦原本想在阳城休整一番，然后率军攻打宛城，一举消灭秦军在南阳郡的守军，然而当他得知了巨鹿战场的情况后，却有些坐不住了，他可不想让项羽抢在自己的前面进入关中，于是连忙将张良找来。
见到张良，刘邦也顾不上含蓄，连忙问道，“如今项羽已经击败秦军，眼看就要西行入关，而这宛城城高墙厚，一时难以攻克，我打算绕过宛城继续西进，你看如何？”
张良闻言，连忙劝道，“您虽然急于入关，可是即便绕过宛城，前方仍有不少秦军，而且同样占据着险要之地。如果不拿下宛城，一旦宛城秦军自后追杀，到时强秦在前、追兵在后，那才是真的危险了。”
听了张良的话，刘邦也渐渐冷静了下来，虽说绕城之举不可取，但他也不愿再在阳城继续耽搁下去，于是命令军队改换成秦军旗帜，连夜率军向宛城挺进，等到次日天亮，刘邦大军已经将宛城围了个水泄不通。
刘邦不愿耽搁，天亮时分便对宛城发动猛攻，此战持续十余日，虽然守军拼死抵抗，但在刘邦占据绝对优势的情况下，当樊哙再度先登上城，宛城已是岌岌可危。
郡守吕齮见此情形，心灰意冷之下，便起了自刎报国的念头，他身边的舍人陈恢见状，连忙上前制止，劝道，“现在自尽还是太早，事情并非没有转机，我愿前往敌营面见刘邦。”吕齮听罢，叹了口气，陈恢遂告辞离去。
陈恢见到刘邦，便开门见山的说道，“宛城乃是大郡都城，相连城池数十座，百姓众多、物资充足，且官民皆认为即使投降也要被杀，因此都决心据城坚守。我听说您应楚怀王之约，以先入咸阳之人称王，如今您虽然已经攻破宛城，但想要完全占领却并非一日之事，如此不仅耽误时间，且肯定伤亡惨重。如果您停止攻打宛城，继续率军西进，肯定又担心宛城秦军自后袭扰。我替您考虑，倒不如招降宛城守军，封赏南阳郡郡守，让他留下来替您守住南阳，您率领宛城的秦军一起西进，到时候那些还没有投降的城邑，听说投降可以换取生路后，一定会望风而降，您就可以畅通无阻的西进了。”
刘邦细细思量，认为陈恢所言有理，虽说宛城随时有告破可能，但想要完全攻克的确需要一段时间，如果能够不战而下，自然再好不过，于是便同意了陈恢的建议，表示愿意接纳郡守吕齮的投降。
陈恢将自己与刘邦商谈的结果告知吕齮后，吕齮出城投降，刘邦封其为殷侯，让其继续驻守宛城，另封给陈恢食邑一千户，并对宛城的守军予以了收编。
收取宛城后，刘邦继续率兵西行，先破穰县（今河南邓州，秦属南阳郡）、后夺丹水（今河南淅川，秦属南阳郡）。得知刘邦已经迫近武关，在南郡迫降了西陵县的戚鳃和王陵，以及番君吴芮的部将梅鋗等原本在南阳郡周边活动的义军，纷纷赶来相投。