刘邦自彭城溃败以后，在荥阳重新集结队伍。萧何从关中征集了兵员和物资到荥阳，经过补充休整，汉军士气又振作起来，于是摆开阵势，防备楚军的进攻。荥阳是关中和关东来往的必经之路，依山傍水，地势险要，进可以攻，退可以守。又有萧何镇守关中，不仅使刘邦无后顾之忧，而且还可以使汉军的兵员和物资源源不断地得到补充。于是，楚汉之间旷日持久的争夺战，便在荥阳一带展开了。
在对峙当中，刘邦在正面坚守荥阳，用少数兵力拖住霸王的大军。他一面派韩信带领兵马向北翼进军，消灭项羽的附庸势力；一面派萧何去南翼争取英布背楚联汉，牵制楚军；并派彭越扰乱楚军后方，使楚军处于四面受敌的境地。这便是刘邦统观全局的战略部署。
项羽得到英布背楚联汉的消息后，便发兵征讨英布，杀得英布军队无处可逃，只得投奔刘邦。这一下，项羽更是怒气难消，定要踏破荥阳以解心头之恨。他依范增之计，截断了汉军粮道，使汉军十分恐慌，只好提出求和。足智多谋的范增看出这是刘邦的缓兵之计，便劝项羽拒绝了和谈，使项羽决定加紧攻城。刘邦见求和不成，便采用了陈平的反间计，离间项羽和范增之间的君臣关系。项羽果然中计，对范增产生了怀疑。范增感到自己对霸王一片忠心，竟也受到怀疑，一气之下，愤然离开，回老家去了。因为他已年迈，又受了这样的委屈，一时抑郁难平结果死在回家途中。
项羽得知中了汉王的反间计后，一怒之下，向荥阳发起了猛攻。守城的汉军连日抵抗，已是筋疲力尽，再加上粮道被楚军断绝，形势更加紧张。刘邦想突围逃走，可是项羽已把城围得水泄不通。
一天夜晚，荥阳东门突然大开，两千名顶盔披甲的汉军，护卫着一辆黄顶车，从城里出来，高声传唤：“城中粮食吃光了，汉王出城来投降。”楚军一听非常高兴，纷纷涌到东门来，却发现面前都是女子。待到黄顶车走近楚营，才发现坐在车上的并不是汉王刘邦，而是他的大将纪信。纪信哈哈大笑说：“汉王已从西门走了。”项羽知道受了骗，一怒之下将纪信活活烧死。项羽率兵进城，不料城中的汉军防守得仍很严密，只好转攻刚从荥阳逃到成皋的刘邦。成皋失守，刘邦逃走，荥阳战事更为吃紧。为解荥阳之围，刘邦听取谋士袁生的建议，改从武关一带分散楚军兵力，以减轻荥阳守军的压力。项羽见刘邦领兵南下，以为他要趁机攻打彭城，想到这里，便传令将士立刻起营，追赶刘邦，昼夜不停地赶到汉军驻地附近，拉开阵势就要交锋。汉军则深沟高垒，坚守阵地，任凭楚军怎样叫阵也不出战，使项羽几十万大军无用武之地。正在焦急不安时，又接到报告称彭越的军队正在威胁彭城。项羽无奈，只好回去讨伐彭越，以解彭城之围。而刘邦却抓住项羽攻打彭越的机会，一举收复了成皋。
项羽刚从彭越手中收复一部分失地，听到成皋被汉王夺去的消息，又急忙回过头来攻打汉军，并一举攻破荥阳，占领成皋。可是，这时候项羽又得到情报说，汉王这时已深入到楚军的后方，配合彭越，烧毁了楚军储存的粮食物资，切断了楚军的补给线，很快攻下了项羽所占领的十七座城市。项羽气得咬牙切齿，决心再次东征。于是他把防守成皋的重任交给大司马曹咎，派钟离昧驻防荥阳，他自己则亲率大军，攻打彭越。刘邦却抓住时机，夺取了成皋，使楚军元气大伤。楚强汉弱的形势发生了根本的变化。
驻守荥阳的楚将钟离昧害怕汉军围歼，主动向东撤退，却被乘胜追击的汉军包围。项羽率领着大军赶到时，刘邦并不恋战，退到山中险要的地方去防守，避开楚军的锋芒。项羽想起刘邦的父亲和妻子还在他的军营里关押着，便在两军阵前，让士兵搬出一块杀猪用的大案板，把刘邦的父亲按在上面，威胁刘邦投降。刘邦见此情景大吃一惊，但他思考后却强做镇定地冷笑着说：“我和你一块起义灭秦，曾结拜为兄弟，我的老子就是你的老子，如果你一定要把你我的老子做成肉羹，就请你分给我一杯尝尝。”项羽没想到刘邦这样无赖，一气之下就要动手，站在一旁的项伯赶忙劝阻说：“楚汉相争，胜负还很难预料，而且打天下的人都是不顾家的。你杀了这个老头子，也无济于事。不如留着他，还可以牵制刘邦。”项羽无可奈何，只好听了项伯的劝告。
（四）鸿沟划界
楚汉两军相持，长久不见胜负，但形势的发展对项羽却越来越不利。特别是粮食就要吃完了，长期的战乱使百姓身上再也没有什么油水可以榨取了。项羽感到形势不妙，他派遣壮士去汉军城前挑战，见汉军按兵不动，便开始破口大骂，越来越不堪入耳，旨在引诱汉军出战，好趁机杀进城内。汉营中有一人，善于骑射。汉王派他隔涧放箭。飕飕几声响，好几个壮士被射倒了。此时，涧东忽然来了一位披坚执锐的大王，他骑在马上，眼似铜铃，须似铁帚，凶神恶煞一般，令人望而生畏，再加上如晴天霹雳般的狂吼，把射箭的人吓得双手颤抖，无力再射，两脚也站不稳，连连倒退，后来干脆掉头就走。见了汉王，仍心神不宁，说话含混不清。汉王派人察看敌踪，原来是项王在涧旁呼唤汉王。
项羽在阵前大显神威，楚、汉两军都印象深刻，认为他是天生的战神，而汉王刘邦却懦弱怕事。这严重影响了刘邦在人们心目中的形象。汉王尽管心慌，但又不能一直示弱，于是率兵出战，隔涧与项王对谈。项王又呵斥道：“天下乱哄哄的不得安宁，都是因为我们连年打仗的缘故。我愿跟你单人挑战，比个高低，不要再让老百姓跟着受苦了。”刘邦却笑着说：“我宁愿和你斗智，也不和你斗力。”又说：“你不必逞能，犯下十条大罪，还敢如此嚣张？你无视义帝旧约，王我于蜀汉，罪一；擅杀卿子冠军，目无君主，罪二；奉命救赵，不闻还报，强迫诸侯入关，罪三；烧秦宫室，破坏始皇坟墓，劫掠一空，罪四；子婴已降，你仍杀死他，罪五；诈坑二十万秦降卒，累尸新安，罪六；分封部下爱将善地，却驱逐各国故主，罪七；流放义帝，自都彭城，又大肆占据韩梁故地，罪八；你曾事义帝主，居然派人假扮强盗，江南行弑，罪九；为政不平，背信弃义，天怒人怨，罪十。我仗义出兵，联合诸侯，诛灭残贼，应当派罪犯攻打你，难道你配与我打仗吗？”项王气得说不出话来，只向后一挥戟，便冲了上来。无数弓箭手一阵乱射，无数箭头飞越断涧，令汉王防不胜防。汉王正想回马，却被一箭射中胸部，疼痛难忍，差点坠落马下。幸好一旁的将士上前扶助，才牵转马，驰入营门。汉王万分疼痛，伏在马上，叫苦不迭。将士们赶紧慰问，汉王假装用手捂住足道：“我足趾中了贼箭！”左右忙扶汉王下马，拥至榻前休息。立刻传召医官，把箭头取出，敷了疮药。幸好创痕未深，尚得保住了性命。汉王中箭回营，项王深觉出了一口恶气，只因难越绝涧，进攻不便，无奈收兵回营。项王归营以后，注意打探汉营动静，打算等汉王死了，趁机攻打。汉营的张良对此早有准备，他入内帐探视汉王。汉王箭伤虽没痊愈，仍能勉强支持，于是张良劝汉王立即起床，巡视军中，以稳定人心。刘邦叫苦不迭，张良非但不安慰他，反而严肃地说：“大王，快起来！军中士卒都传说你箭伤严重，卧床不起，楚大军就要来犯，人心不稳。这会严重影响我军的士气，这比你的箭伤还要重要！快起来吧，巡行军中，安抚将士。不然，军队一垮，悔之晚矣！”
汉王便忍痛起来，裹好胸前的伤口，由左右扶上车，巡视一周。将士等正在疑虑，忽见汉王乘车巡查时面不改色，这才放心镇守。汉王巡行完毕，感到疼痛难忍，命左右不回原帐，直奔成皋养病去了。项王得知汉王未死，仍巡行军中，不由得懊丧不已。自思进退两难，若长驻此地，粮尽兵疲，难以久持，正犹豫不决时，忽然传来消息称大将龙且阵亡。项王大吃一惊：“韩信如此厉害吗？他杀我大将龙且，必定乘胜联合刘邦攻我！”于是又派人一探究竟，再作打算。
在此以前，刘邦派往北翼作战的韩信，已于公元前205年攻破了魏国，随后又消灭了赵国、降伏了燕国，到公元前204年夏天，占领了齐地。在南翼，刘邦又争取英布背楚联汉。楚军后方，彭越正进行着游击战争。
汉王连续数月坚守广武，一心盼望韩信到来，韩信却始终不来。于是立英布为淮南王，让他回到九江，拦截楚军。一面修书给彭越，让他截楚军粮道。部署完毕，又担心项王粮尽欲回，利用太公相威胁，或乘怒杀死太公，更觉可危。汉王立刻与张良、陈平商量如何救父。两人异口同声地说：“项王乏粮，必定退兵，正好趁机与他讲和，救回太公。”汉王道：“项王性情暴躁，容易动怒，必须派一个合适的人前去。”话还没说完，有一人自告奋勇道：“臣愿往。”汉王一瞧，乃是洛阳人侯公，多年从军，擅长应对，便欣然应允，嘱咐他谨慎从事。侯公便迅速进见项羽。
项王此时眼见粮绝，心急如焚，忽然听说汉营中派来使者，便仗剑高坐召见，侯公从容不迫地进来，见了项王，仍镇定自若。礼毕，项王对他说：“汉王既不出战，又不撤兵，今为何派你来此？”侯公道：“大王是想战还是想退。”项王道：“我愿一战！”侯公道：“战事后果难测，何况长久对峙，早已人困马乏，臣进见大王是为了罢兵息争。”项王脱口而出：“你是要与我讲和么？”侯公道：“汉王并不想与大王相抗，如果大王愿意讲和，保国安民，定当遵从。”项王怒气稍退，放下剑，问及议和详情。侯公道：“汉王有两项建议，一是楚汉两国，划定疆界，互不侵犯；二请放归汉王父太公，及妻室吕氏，使他们一家团聚，若能如此，自是感激不尽。”项王冷笑一声道：“汉王又想使诈？他想一家团圆，所以派你请和。”侯公道：“大王知汉王为何东出吗？人人都有父母妻子，汉王遥居蜀汉，自然思亲心切，前次进占彭城，只是为了接回家人，后来听说家人被大王所拘，情急之下才与大王交战。今大王不愿议和也就罢了，如果议和，不如释放这两个人，不但汉王感激，誓不东行，连天下诸侯也会赞颂大王的高风亮节。试想大王不杀人父，不污人妻，将抓到的人放回，则是仁义孝三全，三德俱备，声名远扬，如汉王食言，则大王有理，汉王理屈，古人有言：帅直为壮，曲为老。大王直道可纵横天下，而汉王又何足为惧。”
侯公滔滔不绝，道明和战利害，句句在理。项王认为自己走投无路，汉王既然讲和，想必他暂不会出尔反尔。借此罢兵，也是善策。于是又召入项伯，与侯公确定国界。项伯本来向汉，愿意顺水推舟，以荥阳以东的鸿沟为界中分天下，鸿沟以西归汉，以东归楚。现在象棋盘上刻写的“楚河汉界”正是由此而来。
虽然项羽提出和解，但刘邦还是听取了张良、陈平的劝告，乘胜追击，要消灭楚军。项羽痛恨刘邦负约，立即回兵把汉军打得丢盔卸甲。刘邦仓皇退守，看出只凭他亲自率领的军队恐怕难以取胜。于是命令正在齐国率兵据守的韩信迅速返回，参加会战，同时也借此机会对韩信加以控制。不料刘邦几次派人去催促韩信发兵，韩信却一直按兵不动，只是打发使者来对刘邦说：“齐国虽然打下来了，可是这里的人诡诈多变，反复无常，南边与楚国为邻，难免发生叛乱。如果不让我做个假齐王，怕权力过轻，难于镇守。”刘邦初听大怒，但听了张良、陈平的劝告后权衡利弊，恍然大悟，立即让张良送去大印，封韩信为齐王。之后又封彭越为梁王，立英布为淮南王。果然，各路军马都纷纷向刘邦汇集，一起准备攻打项羽的军队。
楚汉战争的最后一场决战就要开始了。