从中原到秦朝关中，可以从北部关口函谷关进入，也能从南部关口武关进入。刘邦军最初打算重走两年前周文军的进军路线，由陈留、开封、荥阳、洛阳、渑池方向，攻取函谷关进入关中。在昌邑与彭越分手后，刘邦率军向西开拔，在经过陈留高阳时，将郦食其和他的弟弟郦商收入麾下。
郦食其是陈留县高阳乡（在今河南杞县）人，家境贫寒，好读书，机警有辩才，蛰居乡间，郁郁不得志。五十好几的人，无正当职业，周围人看他可怜，让他做里门的门监，就是门卫。虽然处境不堪，可郦食其却狷介狂放，看不起县里乡中的大户人家、强人豪杰。他伶牙俐齿，尖酸刻薄，能把死人说活、活人说死，三寸不烂之舌，令人印象深刻。
刘邦军抵达陈留县境内，部下一名骑士正好是郦食其同乡同里的少年，受命回乡打前站。食其见到骑士，说：“吾闻沛公慢而易人，多大略，此真吾所愿从游，莫为我先”。沛公虽待人轻慢无礼，但有雄才大略，我愿意追随他，只是无人引荐。骑士有些为难，告诉食其，沛公不喜欢儒生，曾经有客人戴儒者的高帽来见沛公，沛公当即取下客人的帽子，在里面撒了泡尿，和人谈话，动辄破口大骂。先生千万不要以儒生的形象礼节见沛公。骑士回去后，将郦食其的事情告诉了刘邦。
刘邦下榻高阳乡的接待传所，记起部下骑士的话，有意见见这位毛遂自荐的高阳狂生，派人召郦食其到传所来。郦食其来到传所，入室谒见，刘邦坐在木凳上，正由两位年轻女子伺候着洗脚。古时候，下客见上主，下客当屈膝下跪行大礼，上主对下客，欠身拱手作揖则可。郦食其见了刘邦，拱手不拜，他高声质问刘邦：“足下助秦攻诸侯乎，且率领诸侯破秦乎？”刘邦火冒三丈，破口骂道：“臭儒生！天下不堪秦朝苛政，诸侯各国联合攻秦，哪来的助秦攻诸侯”。食其答道：“足下想聚集天下豪杰，兴义兵诛暴秦，岂能傲慢对待长者呢”。听了郦食其这句话，刘邦马上停止洗脚，起身穿上衣服，请郦食其入客厅坐上席，自己在下席相陪，施礼道歉。刘邦弄来酒菜，两人把酒言欢。刘邦向食其请教部队如何夺取关中，食其说到，“足下起纠合之众，收散乱之兵，不满万人，欲以径入强秦，此所谓探虎口者也”。刘邦实力不够，不宜直接攻取强秦。他建议刘邦，“陈留地处交通要道，四通八达，城中粮食储备丰富，且陈留县令是臣下的朋友，请派臣下劝降县令，县令肯降，大好事；县令不肯降，足下举兵进攻，臣为内应，陈留可下。”刘邦接受郦食其的建议，派遣郦食其进入陈留，自己统领军队紧随其后，里应外合，一举攻克陈留县城。
郦食其虽蛰伏乡间，可他对刘邦研究得比较透彻，才能让刘邦接受他的建议，攻下陈留县。刘邦虽然初见郦食其时，态度傲慢，一旦意识到自己做得不对，及时调整态度，并诚心请教，愉快接受郦食其的建议。刘邦估计也没有想到，还有意外收获。郦食其又跟刘邦说起他的弟弟郦商。当时郦商召集四千青年人，刘邦命郦商为将，统领陈留召集的兵，跟从自己作战。
三月，占领陈留的刘邦军向西进攻击开封（今河南开封西南）。由于秦军顽强抵抗，未攻下。刘邦军离开开封，北上进入东郡，在白马津与秦将杨熊交战，然后一路追击至曲遇（今河南中牟）大败杨熊军。杨熊退守荥阳，被秦政府问罪处死。
四月，因荥阳坚固难以攻克，刘邦军南下进入颍川郡，与在当地活动的张良和韩王韩成会师。二世二年正月，刘邦与张良在留县初次相会并第一次合作，当年六月，两人一块参加了薛县会议，张良在会上说服项梁，立故韩国公子韩成为韩王，自己出任韩国申徒，与韩成一道领兵到韩国旧地颍川一带活动。和刘邦分手后，张良与韩成在颍川一带致力于恢复韩国故地，不过，他们的活动并不顺利，围绕城池争夺，与秦军的战事屡有反复，始终没有打开局面。颍川会师，开启了两人的第二次合作。韩成、张良与刘邦军会师以后，军威大振，一举攻下颍川郡治阳翟（今河南禹州），对顽强抵抗的秦军，实行了屠城报复，还因为张良的帮助，攻下了故韩国的领地。
当月，赵国将领司马卬统领一支赵国军队由上党郡南下，突入河内郡西部，抵达黄河孟津北岸，大有渡过黄河、进入三川郡由函谷关进入关中的动向。刘邦察觉到了司马卬的意图，领军由颍川北上，攻克平阴，封锁了黄河渡口，迫使司马卬放弃了渡河入关的打算。然后，刘邦领军南下攻击三川郡郡治洛阳，在洛阳东与秦军交战失利。连续的失利迫使刘邦大军放弃最初由洛阳直接西去，经新安、渑池一线，夺取函谷关进入关中的想法，及时调整行军路线，迂回南下，由武关进入关中。
赵将司马卬的这次军事行动令章邯深感后方不稳，刘邦为什么要阻止司马卬渡河入关？是害怕司马卬抢功吗？刘邦自西进以来，一路征战并不顺利，从函谷关进入关中需要攻克的重镇开封、荥阳和洛阳全都未攻下，他还有能力和心思阻止他人抢先进入关中？故应无抢功之说，就是一次正常的军事行动。当然，连续的失利也让刘邦认清从函谷关入关中的困难，及时调整战略。没想到，战略调整收到奇效，进军途中虽有波折，却屡战屡胜，一路顺利进入咸阳，成为灭秦第一人。
调整路线后，刘邦军由洛阳经轩辕道（今河南偃师东）退回颍川郡。再次进入颍川以后，刘邦让韩王成留守阳翟，自己与张良一起领兵往南阳郡方向移动，以夺取南阳西部的武关，由商洛道攻入关中。
秦二世三年六月，刘邦军南下攻入南阳。在颍川和南阳交界的犨县（今河南平顶山西南）东，刘邦军击败由秦南阳郡守齮统领的秦军。郡守率军逃入南阳郡治宛城（今河南南阳），据宛城坚守。刘邦急于西进入关，无意停留攻坚，打算绕过宛城，直接向武关方向突进。张良觉得不妥，劝刘邦说：“沛公虽欲急入关，然而，秦军兵力尚众，前后据险而守。如果不攻占宛城直接西去，遇强敌阻击时，宛城秦军再从后面追击，腹背受敌，非常危险。不如突然返回偷袭宛城。”刘邦接受了张良的建议，领军连夜改道折回，偃旗息鼓，清晨突然出现在宛城城下，里外三重将宛城团团围住，准备大举攻城。
刘邦军的突然返回令宛城军民措手不及，非常慌乱，南阳守齮也准备自杀，他的手下舍人陈恢说：“现在自杀早了点”，陈恢建议让他出城面见刘邦，劝说刘邦接受郡守投降。陈恢翻城而出，见到刘邦说：“臣下听说将军身受怀王之约，先入咸阳者王关中。如今，将军停留在此，围攻宛城。宛城及南阳诸县，共有数十座城池。如果南阳军民以为投降必死，就会齐心协力坚守死战，将军就需要连日攻城，士兵伤亡必多。将军若绕道西去，宛城守军必定紧跟尾随。将军前有城池守军，后有追击骚扰，必不能顺利西进，最终空负怀王之约。为足下计，不如盟誓约降，封赏南阳郡守，让他继续驻守南阳，然后整编宛城秦军，统领他们一道西向攻取关中。南阳境内其它各县军民，闻讯后也会争开城门迎接将军，将军就能顺利进入关中。”刘邦接受了陈恢的建议。
七月，南阳郡守开城投降，刘邦入城，接受政权，收编军队，封南阳郡守齮为殷侯，命他继续担任南阳郡守，封陈恢食邑千户，然后统领楚军旧部和新编的秦军一道西进。
在此之前，反秦军和秦军都采用严峻的手段对付对方，多次发生屠城，未出现秦军投降的先例。未曾想，同在秦二世三年七月，刘邦接受南阳郡守投降，项羽接受章邯投降。秦军开始大规模投降，说明敌我双方实力正在反转。不过，这两次投降最终的效果差别较大。刘邦收编了秦军，进一步壮大了他的队伍，南阳境内诸县也纷纷开城投降，加快了进军关中的步伐，而项羽坑杀二十万秦军，激起了关中老百姓对项羽军和章邯等人的深深仇恨。
刘邦率军从宛城出发，继续西进，果然如同陈恢所言，南阳境内诸县，纷纷开城投降。刘邦军西进至丹水县（今河南淅川），秦军将领高武侯鰓、襄侯王陵投降。回攻胡阳（今唐河胡阳镇），遇到番君吴芮属下的部将梅，两人一块率军攻打析县（今内乡县）和郦县（今西峡县），两地的秦军都投降了。刘邦命令部队所过一律不得掳掠施暴，明令禁止报复和掳掠秦人，秦国人民欢喜，民心开始瓦解。八月，刘邦率领数万大军进下武关并屠城。
