漢高帝二年(前205年)五月，漢高祖退到滎陽一線收集殘部。這時，漢高祖的部下蕭何在關中征售到大批兵員補充前線，韓信也帶部隊趕來與漢高祖會合。漢高祖的漢軍得到休整補充后，實力復振，將楚軍成功地遏阻于滎陽以東地區，暫時穩定了戰局。滎陽及其西面的成皋，南屏嵩山，北臨河水(黃河)，汜水縱流其間，為洛陽的門戶，入函谷關(今河南靈寶東北)的咽喉，戰略地位十分重要。自五月起，漢、楚兩軍為爭奪該地展開了一場曠日持久的戰爭。

交戰初，漢高祖即按照張良制定的謀略，實施正面堅持、敵后襲擾和翼側牽制的作戰部署，以政治配合軍事，以進攻輔助防御，游說英布倒戈，從南面牽制項羽;派遣韓信破魏，保障翼側安全;聯絡彭越，襲擾項羽后方，從而有力地遲滯了項羽的進攻。同時漢高祖讓蕭何治理關中、巴蜀，鞏固后方戰略基地，轉運糧食兵員，支援前線作戰;還采納陳平的計謀，派遣間諜進行活動，分化瓦解楚軍。

漢高祖的這些措施雖然起到了牽制楚軍、鞏固后方的積極作用，但是正面戰場的形勢依然不怎么樂觀。項羽看到漢高祖的勢力有增無減，十分不安，便于次年春調動楚軍主力加緊進攻滎陽、成皋，并多次派兵切斷漢軍的糧道，使漢高祖的部隊在補給上發生很大的困難。五月間，項羽大軍進逼滎陽，漢高祖內乏繼糧，外無援兵，情勢日趨危急。漢高祖采納張良的緩兵之計，派出使臣向項羽求和，表示愿以滎陽為界，以西屬漢，以東歸楚，但遭到項羽的斷然拒絕。漢高祖無奈，只得采納將軍紀信的計策，由紀信假扮作漢高祖，驅車簇擁出滎陽東門，詐言城中食盡，漢王出降，蒙騙項羽，而自己則乘機從滎陽西門逃奔成皋。項羽發現自己受騙上當后勃然大怒，燒死紀信，率兵追擊漢高祖，很快攻下了成皋，漢高祖倉皇逃回關中。

漢高祖從關中征集到一批兵員，打算再奪成皋。謀士轅生認為這不是善策，建議漢高祖派兵出武關(今陜西商南東南)，調動楚軍南下，減輕漢滎陽守軍的壓力;同時，讓韓信加緊經營北方戰場，迫使楚軍分散兵力。漢高祖欣然采納這一計策，率軍經武關出宛(今河南南陽)、葉(今河南葉縣)之間，與英布配合展開攻勢;與此同時，韓信也率部由趙地南下，直抵黃河北岸，與漢高祖及滎陽漢軍互相策應。漢軍的行動果然調動了項羽的南下。這時漢高祖卻又轉攻為守，避免同楚軍進行決戰，而讓彭越加強對楚后方的襲擊，彭越不失所望，進展迅速，攻占了要地下邳(今江蘇睢寧西北)，直接給楚都彭城造成威脅。項羽首尾不能兼顧，被迫回師東擊彭越，漢高祖乘機收復了成皋。

六月，項羽擊退彭越后，立即回師西進，對漢高祖發動第二次攻勢，攻占滎陽，再奪成皋。并繼續西進，抵達今河南鞏縣一帶。漢高祖倉猝北渡黃河，逃到小修武(今河南獲嘉東)，在那里漢高祖征調到韓信的大部分部隊，以支撐危局，增強正面的防御。漢高祖深知項羽的厲害，這時便命漢軍一部拒守于鞏(今河南鞏縣西南)，一部屯駐小修武，深溝高壘，不與楚軍交鋒。同時派韓信組建新軍東向擊齊，繼續開辟北方戰場。

又命劉賈率領2萬人馬從白馬津(今河南滑縣北，舊黃河渡口)渡河，深入楚地，協助彭越，擾亂楚軍后方，截斷楚軍糧道。彭越得到劉賈這支生力軍的支援，很快攻占了睢陽(今河南商丘南)、外黃(今河南杞縣東北)等17座城池。彭越、韓信的軍事行動，給項羽側背造成嚴重的威脅，迫使項羽在九月間停止正面戰場的攻勢，再次回師攻打彭越。項羽臨行前，告誡成皋守將曹咎說：小心堅守成皋，即使漢軍挑戰，也千萬不要出擊，只要能阻止漢軍東進，我15天內一定擊敗彭越，然后再與將軍會師。項羽很快收復了17座城池，但沒有能夠消滅彭越的游軍，它繼續在威脅楚的后方。

漢高帝四年(公元前203年)十月，漢高祖聽取謀士酈食其的建議，乘項羽東去之機，反攻成皋。守將曹咎開始還遵照項羽的告誡，堅守不出，但是經不起漢軍連日的辱罵和挑戰，一怒之下，率軍出擊。漢高祖見激將法奏效，便運用半渡擊之的戰法，大破曹咎所部楚軍于汜水之上，曹咎兵敗自殺，漢軍乘機再奪成皋，并乘勝推進到廣武(今滎陽東北)一線，收敖倉積粟以充軍用，并在滎陽以東包圍了楚將鐘離昧部。

項羽聽到成皋失守，大驚失色，急忙由睢陽帶領主力返回，同漢軍爭奪成皋，與漢軍對峙于廣武，欲與漢高祖決一雌雄。可是漢軍依據險要地形，堅守不戰。雙方對峙數月，項羽無計可施。這時適逢韓信攻占臨淄，齊地戰事吃緊，項羽不得已只好派龍且帶兵20萬前往救齊，這就更加減弱了正面戰場的進攻力量。到了十一月，韓信在濰水全殲了龍且的部隊，平定齊國，使項羽的處境更趨困難。幾個月后，楚軍糧食缺乏，既不能進，又不能退，白白地消耗了力量，完全陷入了被動。

這時，漢軍韓信部已經破魏，破趙，降燕，平定三齊，占領了楚的東方和北方的大部地區，完成了對楚的戰略包圍。彭越的游軍則不斷擾亂楚軍后方，攻占了昌邑(今山東金鄉西)等20多座城池，并多次截斷楚軍的補給線。英布所部在淮南也有所發展。項羽腹背受敵，喪失了主動，陷于一籌莫展的境地。雙方強弱形勢已發生根本的變化。項羽見大勢盡去，遂被迫與漢高祖議和，以鴻溝為界，中分天下，爾后引兵東歸。成皋之戰以漢勝楚敗而告終。