公元前205年三月，刘邦趁项羽率军攻打齐国田横，西楚内部空虚的时机。从临晋东渡黄河，进入河东，迅速收降魏王豹。紧接着领兵攻占河内，俘虏殷王司马印。经过两年的联合动员，中原地区的反抗项羽形势一片大好。淮河以北，除了彭城附近及燕地，其他势力都明确表态反对项羽。刘邦认为剿灭项羽的时机已经成熟，于是刘邦南渡黄河，进入洛阳，昭告天下，誓师讨伐项羽。四月，刘邦趁项羽主力在齐国被拖住，彭城空虚的时机，率军直扑彭城，彭城之战就此展开。
以为义帝报仇为名，孤立项羽
刘邦在洛阳以项羽杀害义帝楚怀王为由，派出使者联络各地诸侯，共同讨伐项羽。各国诸侯因为项羽在分封诸侯的时候，利益瓜分不均，把好的地方分给自己人，能力不行的人把他扶上位。很多诸侯对项羽极为不满，刘邦昭告天下的檄文送到各国后，大家群起响应。当时在赵国主持朝政的相国陈余，因为与投奔刘邦的张耳有私仇，要求刘邦杀掉张耳，刘邦不忍心杀张耳。于是找了个人替换张耳，将首级送给了陈余，因为两人长得像，陈余就相信了。就这样包括赵国在内的，各方实力雄厚的诸侯都发兵攻打项羽。另外还有一部分诸侯，对项羽没太多不满，保持中立，不愿意帮助刘邦，同样也不愿意帮助项羽，于是项羽被彻底孤立了。
联军分兵四路，攻击彭城
刘邦趁项羽与齐军在城阳作战胶着的时机，联合诸侯，分四路大军进攻彭城。刘邦自己率领中路军，率部将周勃、夏侯婴、卢绾与归附的各路诸侯联军，从洛阳出发，途径雍丘进攻彭城。北路军由曹参率领为主将，部下有樊哙、灌婴等人，联合陈余的赵军，从朝歌出发，经定陶进攻彭城，项羽派遣龙且在定陶进行防守。北路军一路势如破竹，樊哙在煮枣击破楚军王武、程处部，曹参与灌婴攻打定陶，大破龙且，一路追击龙且到胡陵，与刘邦主力会合。南路军由薛欧、王吸、王陵等将率领，从宛城出发，经叶县、阳夏进攻彭城。南路项羽布置兵力较少，没有受到太大阻力，击破阳夏后，在肖县与刘邦主力会合。
同时，攻略梁地的彭越，也亲率三万大军，南下与刘邦会合，共同进攻彭城。这样刘邦的率领的诸侯联军在肖县全部会合，兵力雄厚。但是对面防守的楚军却捉襟见肘了，项羽的精锐全都随他攻打齐国去了，彭城的防守力量集中在定陶和肖、砀地区，已经被汉军一举击溃了。城中仅剩下数千老弱守军，刘邦兵不血刃进入了彭城。攻入彭城后，刘邦派出樊哙率军攻占邹鲁、瑕丘等地，并命令樊哙在枣庄、邹县、曲阜一带驻扎，防守彭城北面的安危，其实就是防备项羽的回援。
项羽回击，大破汉军，斩杀二十余万人
面对复杂的作战环境，有可能面对腹背受敌的情况，项羽展现了高水平的作战素养。决定兵分两路，留下其他将领继续与齐军作战，自己亲率三万精锐骑兵南下，夺回彭城。
说干就干，项羽率领楚军迅速出击，以迅雷不及掩耳之势，击破在瑕丘驻防的樊哙军。不等樊哙逃回去报信，率军迅速迂回到汉军背后的肖县，从背后对汉军进行攻击。项羽趁清晨时分发起攻击，汉军侧背受敌，虽然拼死抵抗，但始终无法组织起有效的防线。刘邦被项羽打得大败，汉军迅速溃败，项羽乘势追击，将汉军逼入彭城附近的谷水、泗水，斩杀汉军十余万。刘邦率领汉军继续向南逃走，项羽率军紧追不舍，追击汉军到睢水，汉军被阻挡住了去路，楚军乘势又再度斩杀汉军达十万人。刘邦率领的残军也被项羽包围，眼看就要被全歼了，结果老天爷帮了忙，一阵大风沙刮乱了项羽军的阵型，刘邦趁机逃脱。
彭城之战，一场颠覆格局的战争
项羽率领精锐的三万楚军，在彭城一举大破刘邦的五十六万大军，再一次展示了项羽优秀的军事才能。当然汉军是否真有五十六万，是夸张的号称，还是实际兵力，真相已经淹没在历史中了，但这依然无法否认项羽作战的牛逼。彭城之战，项羽的优秀指挥是一方面，另一方面就是刘邦占领彭城后的得意忘形，和汉军上下的疏于防备。项羽率领主力尚在外作战，偷下了彭城，但彭城却并不属于刘邦，所以刘邦怎么吞下去，又怎么吐了出来。当然，是否真的是刘邦得意忘形而疏于防范呢？恐怕不是的，首先刘邦自己并不是一个没有头脑，因为一点点成绩就沾沾自喜的人。另外他的军师张良和陈平，也都不是目光短浅的人，可能能看到项羽的主力并没有损失，彭城必有一战的局面。
但是他们可能的布局还没有完成，同时希望齐军能够尽可能多地消耗项羽楚军的战斗力。但是没想到项羽艺高人胆大，孤注一掷，率领精锐骑兵迅速回击。而汉军因为是诸侯联军，各方之间相互防备，统一协调不畅，难以形成一股绳与项羽作战，所以迅速溃败。而这场彭城之战，最大的影响并不是楚汉之间力量的又一次反转，而是让刘邦集团改变了之前的联合诸侯打击项羽的战略。改一锅混的策略为挑选优秀的坚定者合作，此后刘邦集团选择了，坚定的反项羽集团梁王彭越、齐王田广作为合作对象。策反后的英布经历考验后，也成为了合作对象。对于中原打大量意志不坚定的诸侯，汉军采取了坚决消灭的态度，像司马欣、魏豹、陈余这种骑墙派，汉军卷土重来后，采取坚决消灭的态度。所以在项羽败亡后，只有始终坚持抗击项羽的诸侯才最终活了下来。一场彭城之战，算是彻底打消了未来天下分裂的可能，刘邦已经看出了这些诸侯存在的危害了。
