陈胜兵败身亡后，项梁、项羽所部在诸路义军中算是最强的了，他们渡江北上驻军下邳(今江苏邳县南)，其时已拥兵七万，成为抗秦的主力。项梁听说陈胜已死，当即主持召集各路起义将领议事。居巢(今安徽巢县东南)人范增年已七十，善于出谋划策，他在会上分析了陈胜失败的原因，并引用“楚虽三户，亡秦必楚”的预言，建议项梁立楚怀王的后代为王，以便号召民众，共同抗秦。项梁听从范增的劝说，经过访求，在民间找到了一个已沦为奴隶的楚怀王的孙子，立他为首领，仍称楚怀王，自己则拥兵作为护卫。此时秦军正在章邯率领下进兵击魏，魏王咎兵败自杀，其弟豹逃归楚怀王。
项梁看到秦军东来虽然势不可当，其实已精疲力竭，是反击的好机会，便率领大军及时迎击，在东阿、濮阳、定陶(三地相当于今河南东北部、山东西北部)一带连续战胜了秦军。几次大胜秦军后，项梁开始骄傲起来。上骄而下惰，他的手下人不少也开始骄横起来。部将宋义进谏说：“现在我们不过取得了初步胜利，稍有松懈，形势便会逆转。章邯元气未伤，新近又聚集了大批新兵。应引起百倍警惕才是！”
楚霸王项羽
项梁不但不听宋义的话，还把他支派到齐国去。宋义赴齐路上，碰着一个齐使去见项梁，就对齐使说：“我已预见到项梁必败。你走得慢些大概还能躲过一死，走得快的话，大概也要卷进这场战祸啦！”齐使闻言慢行，果然还没到定陶，章邯大军已把项梁所部打败了，项梁也在这次战役中牺牲。
但是秦朝的江山已处在风雨飘摇之中，秦将章邯的几次胜仗只不过是给胡亥送的救命稻草，抓住了也不顶事。全国如火如荼的起义形势已注定秦王朝离灭亡的日子不远了。这时秦二世胡亥变得更加残暴，赵高完全把持了朝政，他诬陷李斯父子与义军私通，又弹劾直言敢谏的右丞相冯去疾及将军冯劫，说他们不为皇帝分忧。于是李斯、冯去疾、冯劫三人及其亲族统统被杀。
章邯打败项梁之后，认为楚地的义军不足以成大事。于是渡过黄河，往北攻击赵王歇，大败赵军。与此同时，项羽与刘邦联合，在雍丘(今河南杞县)大败秦三川郡守李由，又保护楚怀王迁都彭城(今江苏徐州)。
赵王歇退守巨鹿城，多次请求救援，楚怀王于是召集诸将商议，决定：项羽擅长力战，让他去对付章邯；刘邦擅长招抚，让他进击关中。楚怀王本来就担心日后被项羽所左右，所以根据诸老将的建议，派宋义为上将，项羽为次将，范增为末将，一同北上救赵；又派刘邦沿途招集陈胜、项梁残部西进关中。此时秦朝虽然已是强弩之末，但关中是秦的根据地，那里还没有发生起义。再说秦军也经常打胜仗，还有一些威慑力。因此怀王与诸将都认为，人关破秦不是一件容易的事，最后推翻秦朝，只能义取，不可力战。
但是项羽因怨恨秦军杀死了叔叔项梁，立誓报仇，因此要求与沛公刘邦一同西向进攻关中，要亲手杀死秦二世。楚怀王的一些老部将不同意项羽进攻关中，他们说：“项羽作战骁勇，但生性残忍，他曾攻打襄城，杀得襄城不剩一个活人。况且楚兵虽然多次攻城略地，可是像以前的陈胜还有项梁也都战败死亡了，所以应该让有德行的人仗义西行，向秦的父老兄弟把道理讲明白。秦的父老兄弟早就受够了他们主子的苦，现今真能得到一位忠厚长者前去，不侵扰、不残害他们，一定可以使关中秦军降服。项羽不可以派去，唯有沛公刘邦向来宽厚待人，可以完成大事。”楚怀王最终没让项羽西行，而是派遣沛公往西，收集陈胜和项梁被打散的士兵。怀王还与诸将约定：谁先进人关中并推翻秦朝，谁便是那里的新王。
项羽果然是一位骁将。秦二世三年(公元前207年)十二月，项羽在巨鹿城下大败秦军，俘虏了王离，迫使章邯败退。但项羽也真够残暴的，他纵容部下侮辱虐待甚至杀死在汗水(今河南临漳南)归降的秦军，弄得怨声载道。他顾忌降卒可能会产生叛变之心，影响进关，又设计在新安(今河南新安西)坑杀了二十多万投降的秦军，只有章邯、司马欣、董翳三将的性命得以保全。
与项羽相反，老练明达的刘邦没有多少战功可言，但在左右谋士的劝谏下，努力树立起自己忠厚长者的形象，以笼络人心。秦二世三年二月，刘邦从砀县北边进攻昌邑，与彭越相遇。彭越帮助刘邦攻打昌邑，但未能攻克。刘邦转而往西进军。
路过商阳，商阳里的门监郦食其对别人说：“从这里经过的将军很多，我看只有沛公有宏大的气度。”于是请求拜见刘邦。这时刘邦正劈开两腿坐在床上，让两个侍女替他洗脚。郦食其不拜，作揖说道：“足下真要打算诛灭暴虐无道的秦国，就不该这样坐着接见年长的人。”刘邦听后立即起身，整理衣服，向郦食其赔不是，请他坐在上位。郦食其建议刘邦袭击陈留，肯定成功。刘邦封他为广野君，任命他的弟弟郦商为将军，统领兵马。三月，刘邦攻打开封城，没有攻破，于是绕道而行，在白马与秦将杨熊会战，接着又在曲遇以东继续激战，大败杨熊。杨熊逃往荥阳，秦二世皇帝派使臣将他斩首示众。四月，刘邦往南攻打颍川。靠着张良、郦食其的帮助，刘邦在韩地攻取了许多城池。
刘邦带领大军西行，所向大都降服。七月，南阳郡守投降，刘邦封他为殷侯。接着今河南省的中南部地区也大都归降了刘邦。大凡经过的地方，刘邦明令士兵不得掳掠，因此韩国的百姓很高兴。于是刘邦派魏人宁昌出使秦国。就在这一个月，章邯领着全军投降项羽，项羽封他为雍王。
瑕丘人申阳攻下河南郡，就是今天的洛阳。刘邦西进的通道打开了。
八月，刘邦攻破武关，进人秦国腹地的关中。这时已经升为丞相的赵高感到害怕了，惶恐不安，便杀死二世皇帝，派人提头去见刘邦，想订立和约，并让刘邦同意他做关中的王。刘邦不答应。九月，赵高将二世皇帝哥哥的儿子子婴立为秦王。子婴诛灭了赵高及其三族，并派遣将领带兵防守崤关。崤关是进人关中的必经之地。
刘邦打算攻打崤关，张良出谋说：“秦国的兵力还强，不能轻视。请先派人在山上多张设旗帜作为疑兵，叫郦食其和陆贾去劝说守关的秦将，以重金引诱他们。”守关的秦将有意与汉军议和，刘邦打算答应他们。张良又说：“这仅仅是他们的将领想背叛秦王，恐怕秦的士兵们不一定听从，不如趁他们防守懈怠的时候袭击他们。”刘孝带领人马绕过崤关，翻越蒉山，猛攻秦军，在蓝田县以南击溃了秦军。于是刘邦进军蓝田，又在蓝田北边与秦军大战，秦国的士兵惨遭失败。
汉高祖元年(公元前206年)冬十月，五星在东井会聚。按照星相学的说法，这是真命天子到来的象征。不久刘邦到了咸阳附近的霸上。秦王子婴乘了素车白马，脖子上系着丝带，捧着皇帝的玉玺和符节，在枳道亭边向刘邦投降。
刘邦的将领中有人主张杀掉秦王。刘邦说：“当初楚怀王派我人关，原是认为我能够宽厚待人，何况人家已经投降了，再杀他是不吉利的。”就把秦王交给手下的宫吏，要他们好好看守。接着刘邦向西进人咸阳，他想留在宫殿中住宿，享受胜利的成果。樊哙、张良等当即劝阻，说还是等楚怀王来了以后再说吧。刘邦便把秦朝贵重珍宝、财物和府库等封存起来，率领部队回到了霸上。萧何则将丞相府内的图书、户籍以及档案文书等全部收集起来带走。
十一月，刘邦把各县的豪杰长老召来，对他们说：“你们大家遭受秦朝严刑峻法之苦已经很久了。我和诸侯们约定：谁先进人关中，谁就在关中做王。现在，我应当做关中王。我同父老们约定的法律只有三条而已：杀人的要判以死刑，打伤人的以及抢东西的，按情节轻重给予相应的处罚；其他一切烦琐的旧法统统废除。宫吏、百姓们一切都和原来一样。我此次来到关中，就是要替你们大家除害，不会有什么侵犯，不用害怕！再说我把部队驻扎在霸上，为的是要等各路诸侯来，大家一起制定一个规章。”接着，刘邦就派人与旧朝的宫吏一道，到各县、各乡、各邑去向百姓们传布告谕。关中百姓非常高兴，争先恐后地拿着牛、羊、酒和食物前来犒劳军士。刘邦谦让不收，说：“仓库内粮食很多，不要再让百姓破费了。”百姓们更加高兴，只担心刘邦不在关中做王。
有人劝刘邦说：“关中比全国其他地区富裕十倍，地势险要。现在章邯已经投降了项羽，项羽封他为雍王，他如果来了，沛公您恐怕得要从这块土地上被赶走。您应当赶快派兵镇守函谷关，不让诸侯们进军关中，然后再慢慢地征募一些关中兵来加强实力，抵抗他们。”刘邦同意了这一建议，开始征兵预防。十二月，项羽果然率领诸侯军西进，来到函谷关下。
函谷关大门紧闭。项羽听说刘邦已经平定了关中，心中大怒，就派黥布等人攻人函谷关，到了戏下。刘邦的左司马曹毋伤听到项羽发怒，要攻打刘邦，就私下派人报告项羽说：“刘邦想在关中称王，叫子婴做相，所有珍宝都给他拿走封存起来了。”他想用这些话来求得项羽的封赏。亚父范增也劝项羽说：“刘邦在山东时贪图财物，喜欢女色，现在听说他进关后，珍宝一点都没要，女人一个没有亲近，这说明他野心不小。我叫人观望他头上的云气，都是龙的形状，五彩缤纷，这分明是天子的云气。应该赶快进攻，莫再失去良机了。”
项羽让军士们饱餐一顿，第二天一大早全军出战。这时候，项羽军队已有四十万，号称百万；刘邦军队十万，号称二十万，刘邦的兵力明显不及项羽。恰好项羽的一位叔父项伯，一向与张良交好，连夜骑马赶到霸上去会见张良，把全部实情告诉了张良，要张良跟自己一起离开霸上，不要白白跟着刘邦一块送死。张良说：“我替楚怀王陪伴沛公到这里，沛公十分信任我。我要出走，这样大的事不能不告诉沛公，偷偷离开是不仗义的。”就同项伯一起去见刘邦。刘邦判定形势对自己不利。为了求得项伯的支持，当即同项伯结成了儿女亲家，并对项伯说：“我进关以来，关中财物秋毫无犯，只是登记了宫吏和百姓的户口，封存了府库内的全部财物，专候项羽将军到来。之所以派人把守函谷关，不过是为了防备其他意外和盗贼罢了。我日日夜夜盼望将军到来，怎么敢反对将军人关呢！您能对将军详细说明我不敢背叛之意吗？”
项伯答应了他，连夜回去。走前提醒刘邦说：“明日清晨，你务必早一点亲自前来谢罪。”项伯回去后，把刘邦的话详细转告了项羽，并乘机劝道：“如果沛公不先打败关中的秦兵，你能轻而易举进关吗？况且人家立了大功，你再打他是不吉利的，不如借此机会好好款待他一番。”项羽本是爽快人，一口答应了他。
第二天清晨，刘邦带了一百名骑兵随从，到鸿门去会见项羽。他赔礼道：“我与将军同心协力攻打秦国，将军在黄河以北作战，我在黄河以南作战。没料到我能先进函谷关，打败秦军，同将军又一次见面，真是高兴啊。现在有小人从中挑拨，使将军和我产生了误会。”项羽说：“是你手下的左司马曹毋伤说的。不然的话，我怎么会对你这样呢？”
霸王别姬
项羽留下刘邦举行宴会。宴会上，范增几次向项羽使眼色，要他杀掉刘邦，以免后患，项羽都没有理会。范增一心想除去刘邦，就起身到了外面，对站在那里的项庄说：“将军为人心肠太软，你以舞剑为名进去，找个机会击刺沛公，把他杀掉。不然的话，你们这些人将来都要成为沛公的俘虏。”项庄是项羽的族人，当然要帮助项羽。他进去祝酒，行礼完毕后说：“军营中没有什么可以作为娱乐的，请允许我舞剑助兴吧。”于是拔剑起舞。项伯知道项庄没安好心，也起身舞剑，用身体来遮挡刘邦，不让项庄有得手的机会。
随同刘邦而来的樊哙得知情况紧急，直接闯了进来，而且愤怒异常。项羽觉得他是个壮士，就赏他酒喝。一会儿，刘邦起身到厕所去，招呼樊哙也出来，留下车马和随从，单身独骑，由樊哙、靳强、滕公、纪成等人步行保护，从小路跑回军营，派张良留下来向项羽谢罪。过了很久不见刘邦回来，项羽问道：“沛公哪里去了？”张良说：“听说将军有意要责备他，他不好意思已从小路回自己的军营，特意派我来献上玉璧。”项羽接受了。张良又把一个玉制的大酒杯献给范增。范增恼怒地砸破玉杯，起身说：“我们这些人只怕都要成为沛公的俘虏了！”
又过了五年(公元前202年)，刘邦率领的汉军在垓下围住项羽。项羽夜间听到四面的汉军都在唱楚歌，以为他们已全部占领了楚地，当即带领几百名骑兵突围逃跑，全军因此崩溃。灌婴追到东城，项羽自杀。楚地全部平定，只有鲁地没能攻下。汉王刘邦本想率领各路大军屠杀鲁地百姓，看在他们是在替主子尽忠守节，鲁国又是古代礼义之邦的分上，就把项羽的头颅给鲁地父老兄弟们看，鲁地军民于是投降了。起初，楚怀王曾封项羽为鲁公，等到项羽死后，鲁地的人又为他坚守，因此刘邦就用鲁公的礼仪把项羽葬在谷城。汉王还为项羽发丧志哀，亲自前去哭祭了一番才离去。封项伯等四人为列侯，赐姓刘，下令让被掳掠到楚地的老百姓都归还故土。相持四年之久的楚汉之争以项羽的失败而告终。
其实项羽也是一位响当当的英雄，关于他的故事，流传最广的就是“霸王别姬”。