怀王由盱眙迁都到彭城。吕臣驻兵于彭城之东，项羽驻兵于彭城之西，沛公驻兵于砀。魏咎之弟魏豹自立为魏王。闰九月，怀王合吕臣、 项羽所领之军归自己直接指挥，派沛公为砀郡长，加封武安侯，领砀郡之兵。任项羽为鲁公，加封长安侯，任吕臣为司徒，吕臣的父亲吕青为令尹。

秦将章邯在打败项梁之后，认为楚地的叛秦势力已不足为患，就渡河北上攻打赵王歇， 大败赵王歇。赵王歇退保钜鹿城，秦将王离兵围钜鹿。赵王多次求救于楚怀王，怀王就任宋义为上将，项羽为副将，范增为末将。领兵北救赵军。原先，怀王曾与诸将相约，谁能先平定关中就封之为王。这时期，秦兵强大，常常乘胜追击义军，诸将都畏其威而不敢入关。独有项羽恨秦军打败并杀死项梁，十分愤激，愿意和沛公西进入关。怀王的一些老将都说： “项羽为人？悍好杀，原先攻下襄城，襄城几无遗类，项羽所过之处都遭残灭。且楚军在多次进取中前楚王陈涉、 项梁都以失败告终，不如另派一位宽厚长者仗义西进， 告谕秦地父老兄弟。秦地人民受秦朝之苦已久，要是果真有一位长者领兵，秋毫不犯，秦都咸阳应当是能够攻下的。项羽不能担此任，只有沛公平日就是一个宽大仁厚的人。 ” 最后怀王不同意项羽西进，而派沛公西收陈涉与项梁的散兵。于是沛公从砀地出发，到城阳与杠里，攻打秦军防地，打败了两地守军。秦二世三年十月，齐将田都叛变齐王田荣，田都领兵帮助项羽救赵。沛公在成武打败了秦东郡尉的部队。十一月，项羽杀掉了上将宋义，兼并了宋义之军后渡过黄河，自封为上将军。宋义原有将领如英布等都归辖于项羽。十二月，沛公引兵到达栗县，遇见楚怀王将军刚武侯，也夺取了他所率的四千部队，并成一军和魏将皇欣、 武满的军队会合，进攻秦军，大败秦军。前齐王田建之孙田安领兵由济北跟随项羽救赵。项羽大破秦军于钜鹿，俘虏了秦将王离，秦将章邯逃走。

二月，沛公从砀出发北攻昌邑，遇见彭越。彭越帮助沛公攻打昌邑，没能攻下。沛公西经高阳， 郦食其是高阳里的门卒，他说： “经过高阳的将领甚多，我认为沛公具有大度。 ” 于是求见沛公。此时沛公坐在床上。令两个女子替他洗脚。郦食其未行拜见之礼， 拱手长揖说： “足下要是真想推翻无道之秦，就不应坐着来接见长者。 ” 沛公听后而起， 整衣表示歉意，请入上座。食其建议沛公袭击陈留。沛公委任他为广野君。封食其的弟弟郦商为将，领陈留之军。三月，攻打开封县，未攻下。领兵西向与秦将杨熊在白马县会战，又交战于曲遇之东，大败秦军。杨熊败走至荥阳， 秦二世派人将败军之将杨熊斩首示众。四月， 沛公南攻颍川，大开杀戒。接着运用张良的力量攻韩地。

此时任赵别将的司马？正打算渡黄河入函谷关，沛公就北攻平阴，截断黄河渡口。引兵向南，与秦兵战于洛阳之东，受小挫。就从頧辕险道到阳城，收取军中所需马骑。六月， 与秦南阳郡守齿 奇战于韜县之东，大败秦军， 占领了南阳郡，南阳郡守逃走，保守宛城。沛公领兵过宛城西出，张良谏阻说：“沛公虽然急欲攻入函谷关，而秦兵还很多，且负隅相拒。现在如不攻下宛城，要是强秦据守于我前，宛兵攻击于我后，这是一条危险的道路。 ” 沛公就在夜晚引兵绕道还攻宛城，偃旗息鼓，天未明，就将宛城围住了三层。南阳郡守想自刎， 他的亲信陈恢说： “还未到死的时候。 ” 于是陈恢越城出见沛公。他说： “小臣听说足下曾与人相约：先入秦都咸阳的尊之为王，现在足下在攻打宛城。宛郡有据点数十处，守卫的将士自以为投降必被处死，所以都登城固守。足下如果整日强攻，双方伤亡定会很多；要是放弃攻宛而引兵向西， 宛地的秦兵完全尾追于后。足下攻宛则延误了先入咸阳者为王之约，足下弃宛则留下了后有追兵之患。小臣为足下着想，不如允许宛城守军投降，封郡守为侯，仍令他驻守原地。将他的兵力调出一并向西。前方还未攻下的城邑，定会闻风响应而迎接足下。足下就会顺利通行而无后顾之忧了。 ” 沛公说： “很好。 ” 七月，南阳太守齿 奇投降，沛公封他为殷侯，封陈恢为千户。引兵向西，势如破竹。兵到丹水，秦高武侯鳃、 襄侯王陵归降。回师攻胡阳，遇番君别将梅軭，与他合攻折县、 郦县，都归降了。沛公命令军队经过之处不得掳掠，秦民十分欢迎，派魏人甯昌去秦地劝降。同月，秦大将章邯率领全军投降项羽，项羽封章邯为雍王。瑕丘公申阳攻下河南。八月， 沛公攻下武关。进入秦郊。

秦丞相赵高惊恐，就杀掉秦二世，派使来见沛公，想相约平分关中之地，沛公拒绝了。九月，赵高立二世兄之子子婴为

王。子婴诛灭了赵高， 派将军领兵据守山 尧关。沛公想发起攻击， 张良阻止说：“秦兵尚强，不可轻视。建议先派人在