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八月，刘邦派曹参、韩信奉命开辟北方战场。九月破魏，后九月破代，三年十月击灭赵军主力。刘邦亦遣兵一部渡河水，攻克河内(即怀县，今河南武陟西南)、朝歌(今淇县)、安阳(今安阳南)、邯郸(今属河北)，接应韩信。项羽此时始察汉军意图，几次遣骑兵渡河争夺赵地，均被韩信击退。十二月，被龙且击败的英布潜行至荥阳，协助刘邦防御。
项羽全力发动攻势，多次切断甬道，使汉军乏食。刘邦听郦食其之言，欲遣使复立六国贵族后裔，以分散楚军力量，被张良阻止。后纳陈平之谋，遣奸细散布流言，离间项羽上下关系。四月，楚军围困刘邦于荣阳。刘邦于危急之际，始行缓兵计，遣使求和，愿割荥阳以东予楚;继施反间计，使项羽猜忌主要谋士范增，致范增愤然辞去。七月，用将军纪信计，令周苛等坚守城池，以纪信作替身，出东门诈降，自与陈平等趁乱由西门逃离荥阳，经成皋入关。项羽烧死纪信，指挥楚军紧围荣阳，占领刘邦放弃的成皋。刘邦在关中征得新兵，本欲东进，被辕生谏阻，乃依其言引兵经武关(今陕西商南南)出宛(今河南南阳)、叶(今叶县南)，以吸引楚军，减轻荣阳一线汉军压力。项羽率主力南下，汉军坚壁不战。
刘邦派灌婴和靳歙深入楚军后方断楚军粮道,灌婴、靳歙进展迅速率骑兵突袭荥阳、阳武到襄邑粮道,另外深入到鲁下,在鲁下大破项冠楚军 ,另让彭越加强对楚后方的袭击，彭越不失所望，击败项声、薛公攻占了要地下邳，直接给楚都彭城造成威胁。刘邦趁机北上大破终公楚军收复汉军放弃的成皋， 而丁复同时也在叶击破楚军。
八月，项羽击败彭越，在荥阳彻底弹尽粮绝以凌厉攻势拔荥阳，烹周苛，[7] 进攻成皋。刘邦出成皋北门，渡河水北去。随后汉军再次放弃成皋，楚军拿下成皋后乘势西进，被汉军阻于巩县(今河南巩义西南)一带。八月，刘邦率原属韩信指挥的汉军临河水北岸，欲与项羽交锋，复纳郑忠之言，深沟高垒，坚壁不战。同时，命韩信在赵地组建新军击齐;遣卢绾、刘贾率兵2万渡白马津(今滑县东)，深入楚地，协助彭越扰楚后方。九月，项羽闻彭越等攻下睢阳(今商丘南)、外黄(今兰考东南)等17城，大惊，复领兵东归。临行，留大司马曹咎守成皋，嘱其谨慎勿战。刘邦欲舍弃成皋以东地区，专力屯守巩县、洛阳。郦食其极力谏阻，劝刘邦乘楚军无暇西顾之机收复荥阳，占据敖仓，攻夺成皋，控制用兵要地，相机破敌。又自荐游说田广，使其附汉。刘邦从其计。四年十月，连续数日遣士兵辱骂曹咎，激其出战。曹咎领兵出城，渡汜水，欲与汉军交锋。刘邦趁其半渡，挥军猛攻，大破楚军，再次收复成皋。曹咎及司马欣、董翳皆自杀。刘邦遂率汉军驻于广武(今荣阳北)，取食于敖仓，并围楚将钟离眜于荥阳。
项羽迅速攻下梁地十余城，得知成皋再度易手，急率主力西进，解荣阳之围，然后屯军广武，与汉相持。十一月，闻楚齐联军覆灭于潍水，乃使说客至齐，游说韩信反汉联楚，三分天下，遭拒绝。八月，项羽得知隶属于韩信的灌婴率部南下，驰骋于彭城附近，虑及己方少食寡助，士卒饥疲，乃与汉盟约：以鸿沟为界，中分天下，东属楚，西属汉。九月，项羽将彭城之战中掳获的刘邦妻、父送还，引兵东归。
汉二年(前205年)五月，刘邦退到荥阳一线收集残部。这时，刘邦的部下萧何在关中征售到大批兵员补充前线，韩信也带部队赶来与刘邦会合。汉军得到休整补充后，实力复振，拜灌婴为中大夫，统率骑兵，在荥阳以东大败乘胜追击的楚军，将楚军成功地遏阻于荥阳以东地区，暂时稳定了战局，并派随何说降九江王英布。荥阳及其西面的成皋，南屏嵩山，北临河水(黄河)，汜水纵流其间，为洛阳的门户，入函谷关(今河南灵宝东北)的咽喉，战略地位十分重要。自次年四月起，汉、楚两军为争夺该地展开了一场旷日持久的战争。
汉二年六月， 刘邦派郦食其劝说魏王魏豹降汉，遭到魏豹的拒绝，八月，派曹参与韩信攻打魏国，俘获了魏王魏豹。后九月，汉军平定代国，斩杀了代相国夏说。汉三年十月，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，把赵国的主力引向赵国北部，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。
汉三年十二月，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，英布起初不高兴，后来见刘邦安排的好，英布又高兴起来，使人返九江收兵，使者人缘不错，收拢数千人归汉，刘邦也分兵给了英布，然后一路到成皋。
刘邦据守荥阳，取敖仓之食，与项羽对峙，双方进入相持状态。项羽多次派兵切断汉军的粮道，汉军粮草供应不上，刘邦遣使与项羽求和，愿割让荥阳以东给予楚国，项羽不同意。刘邦采用陈平之计，遣奸细散布流言，离间项羽君臣之间的关系，范增遭到项羽的猜忌，愤而离去。
