韩信听说郦食其不费一兵一卒，只是坐在车上跑了一趟，凭三寸不烂之舌便拿下了齐国七十余座城池，心中很不服气，就采纳了蒯彻的建议，乘着夜幕的掩护，带兵越过平原津渡口偷偷地袭击齐国。齐王田广听说汉兵已到，认为是郦食其出卖了自己，便对郦食其说：“如果你能阻止汉军进攻的话，我让你活着，若不然的话，我就烹了你！”郦食其说：“干大事业的人不拘小节，有大德的人也不怕别人责备。我不会替你再去游说韩信！”齐王田广、齐相田横便烹杀了郦食其，田广带兵向东逃到了高密（山东省高密市），同时向项羽求救。
项羽听到韩信已经在黄河以北的打垮了齐、赵，而且还要率军迂回攻打楚军，而齐王田广也正好派人来求救，于是项羽派将军龙且率军救援。十一月，楚齐联军与汉军对峙于潍水两岸。韩信以囊土壅水之计击破楚军，骑兵将领灌婴配合出击，杀了龙且，追至城阳，虏齐王田广。齐相田横自立为齐王，投奔了彭越。在这个时候，彭越领兵驻扎梁地，往来骚扰楚军，断绝楚军的粮食。
汉王三年，十一月，项羽决定先率军平定彭越之后再回来收拾刘邦。于是对海春侯大司马曹咎说：“谨慎防守成皋。如果汉军挑战，千万小心。不要应战，不让汉军东进就行了。我十五天一定平定梁地，再与将军会合。”于是就率军攻打陈留、外黄、睢阳，都攻了下来，彭越带着他的队伍北上谷城。而刘邦这边果然屡次向楚军挑战，楚军就是不肯出战。刘邦派人连着辱骂了楚军五六天，大司马曹咎终于受不了了，曹咎那是相当的气愤，让士卒渡过汜水准备跟刘邦开干。可是士卒刚刚渡过一半，刘邦就不讲武德的发起了攻击，结果就是楚军大败，汉军还缴获了全部的金玉财宝。大司马曹咎、长史司马欣都自刎在汜水上。项羽刚到达睢阳，听到曹咎兵败的消息后，立马就带兵返回。这个时候汉军正在荥阳东面围攻钟离眜，听说项羽又率兵打回来了，就全部撤到险要地带坚守起来了。
原先刘邦派韩信组建新军，东向攻齐的部队已经全部攻下了齐地。这时候韩信派人向刘邦上书说：“齐国狡诈多变，是个反复无常的国家，南边又与楚国相邻，如不设立一个代理王来统治，局势将不会安定。我希望做代理齐王，这样对形势有利。”刘邦一听，立即勃然大怒，当着韩信使者的面就破口大骂。“我被困在这里这么久了，天天盼着他到这儿来助我，如今不但不来相助，反而要自立为王！”刚骂到这里，忽然觉得自己在桌案下的脚被人踢了一下，一愣，连忙住口。原来，陈平、张良二人当时就坐在刘邦身边。二人深知韩信文武全才，又手握重兵，并且远在三齐，刘邦根本没有能力阻止他称王。这件事倘若处置不当，一旦激成兵变，韩信在齐自立为王，与楚、汉成三足鼎立之势，汉军便又树一敌，天下大事谁胜谁败就更难以预料了。所以，陈平才在桌案下用脚尖踢了刘邦一下；刘邦也很精明，连忙改口说：“大丈夫既平定诸侯，要做就做个真王，何必要做什么代理王！”于是，顺水推舟地派张良过去给他授印，封韩信为齐王，稳住这支十分重要的力量，避免了汉军的分裂。多亏陈平踢了刘邦一下，才封韩信为齐王，韩信从此感恩，无论谁再来劝说他，都不忍忘恩背汉，并最终引大军击楚，为刘邦统一天下起了决定性作用。
而项羽在听说龙且兵败被韩信杀了之后，很是惊讶和恐慌，于是就派一个叫做武涉的盱台人前去游说韩信，想劝韩信反汉联楚，三分天下。但是韩信因为感恩之前刘邦封他为齐王，所以不肯背叛刘邦。
楚、汉长期相持，胜负未决，两边的百姓也是苦不堪言，年轻的苦于当兵打仗，年老体弱的疲于转运粮食。有一天，刘邦、项羽一同站在广武涧两边对话。项羽想跟刘邦单挑。刘邦又不傻，项羽膀大腰圆的，自己这小身板跟他单挑哪是他的对手啊，这纯属找虐，刘邦当然不肯了。不肯单挑就算了，刘邦还细数起了项羽的罪过，说道：“最初我和你项羽都受命于怀王，说是先入关平定关中的，就在关中做王。你项羽违背约定，让我在蜀、汉做王，这是第一罪。你项羽假借怀王的命令，杀了令尹宋义，而自尊为上将军，这是第二罪。你项羽已经援救了赵地，应当返回复命，而你擅自胁迫诸侯的军队进入函谷关，这是第三罪。怀王约定到秦地不要残暴掠夺，你项羽火烧秦朝宫室，挖了始皇帝的坟墓，私自聚敛秦朝财物，这是第四罪。又硬是杀掉了秦朝投降的秦王子婴，这是第五罪。在新安，用欺骗的手段坑杀了秦朝子弟二十万，而封他们的将领做王，这是第六罪。你项羽让自己的将领都在好地方做王，而迁走原来的诸侯王，使臣下争为叛逆，这是第七罪。你项羽把义帝驱逐出彭城，自己建都彭城，夺取韩王的土地，合并梁、楚称王，多划给自己土地，这是第八罪。你项羽派人在江南暗杀义帝，这是第九罪。为人臣下而杀害了他的君主，屠杀已经投降的人，执政不公允，主持约定不守信用，为天下人所不容，大逆无道，这是第十罪。我带领正义之师随从诸侯来诛除残暴的贼人，派受过刑的罪人杀死你项羽，我何苦与你挑战!”项羽大怒，埋伏的弓弩射中了刘邦的胸膛。刘邦却摸着脚说：“这个贼人射中了我的脚趾!”刘邦身受创伤，卧床不起，张良请汉王勉强起来巡行慰劳士卒，以安定军心，不让楚军乘机取胜于汉。汉王出来巡视军队，伤势加重，就驱车进入成皋休养。等到刘邦伤好了，还出去散散心了几天，他进入函谷关，到栋阳去，设酒招待慰问了关中父老。顺道还砍了原先投降项羽，并被项羽封为塞王的司马欣的脑袋，挂在栎阳街市上示众。转了四天，又回到了广武的军中。
而项羽这边呢，想要与刘邦主力决战，刘邦就是坚守不战。就这样刘邦与项羽在广武已经相持数月，加上彭越多次在魏地断绝楚军粮食，项羽很忧虑。突然想起刘邦父母跟老婆孩子还在我手里呢，于是在高台上布置砧板，把刘太公放到上面，威胁刘邦说：“你现在不赶紧投降，我就把太公给煮了！”刘邦说道：“我和你项羽一起面北称臣，接受楚怀王的任命，发誓结为兄弟，我父就是你父，你确定要煮了你老父，那就赏脸分我一杯羹！”项羽那叫一个气呀，想立马就要把刘邦父母跟老婆孩子都杀了。但是经过项伯劝阻，项羽最终停手。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项羽腹背受敌，而且现在已是兵疲粮尽，于是就和刘邦订立了盟约，双方约定以鸿沟为界，中分天下，东边归属楚国，西边归属刘邦的汉国。同时项羽还派人送回了刘邦的父母和老婆孩子，汉军全部高呼万岁。
汉王四年（前 203年），十月，项羽引军东归。