公元前205年，刘邦联合诸侯率领56万大军，攻打项羽的都城彭城（今徐州），本以为是势在必得，可谁料到56万大军被项羽率领的3万骑兵打的落花流水，主力被歼。
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灭秦后，项羽没有履约（谁先攻入关中，谁就做关中王的约定），把刘邦封到偏远荒凉的蜀地做汉王，还将关中一分为三，分给秦降将以制约刘邦。刘邦心中不平。
张良打算回去找韩王成，他建议刘邦烧毁全部栈道，以迷惑项羽，同时避免敌袭。韩信此时离开项羽来到刘邦这里，起先不受重视，跑了，被萧何追了回来，刘邦听从萧何之言拜韩信为大将。
经过数月修整，刘邦依韩信之计，“明修栈道，暗度陈仓”，平定了三秦之地。项羽听说后，大怒，要出兵收拾刘邦。张良也没闲着，给项羽写信蒙蔽他，说刘邦只是要完成旧时约定，不会再向前；同时告诉项羽齐王田荣谋叛要灭楚，以转移项羽注意力。项羽中计，放松了对刘邦的防范而引兵进攻齐国。
由于项羽把韩王成杀了，张良只好再回去找刘邦。《史记·留侯世家》记载：
“亡，间行归汉王，汉王亦已还定三秦矣。复以良为成信侯，从东击楚。”
从此，张良伴随刘邦左右，出谋划策。
彭城之战
公元前205年，刘邦联合齐王田荣、赵王歇，集合了56万大军，一起攻打楚国，四月进入彭城。
此时项羽还未结束对齐国的战争，见老巢失守，于是留下诸将继续攻打齐国，自己引精锐骑兵3万急速南下回击。项羽夜间抵达，利用佛晓进攻汉军，仅半日便大破汉军，斩杀无数，刘邦败走，艰难逃脱，诸侯叛汉降楚。
《史记·淮阴侯列传》记载：
“信复收兵与汉王会荥阳,复击破楚京、索之间，以故楚兵卒不能西。”
而在《汉书》中写的是“信复发兵与汉王会荥阳”。彭城之战没有提到韩信，他可能在别处，这里还有争论。
总之，韩信带兵在荥阳阻止楚军继续向前。
彭城一战，项羽大胜，汉军主力被歼，元气大伤，依附于刘邦的诸侯纷纷叛汉降楚。但项羽没能趁机除掉刘邦，任其西逃，最终留下了祸根。
