楚汉战争的主战场，汉方由刘邦统一指挥；楚军由西楚霸王项羽统率。双方经过的重大战役有三次：
彭城战役：发生于汉高祖二年（公元前205年）四月。刘邦以五十多万大军，进占楚首邑彭城，楚军以三万神骑迂回彭城，一举歼灭诸侯军二十万，刘邦军几乎被全部歼灭。
成皋战役：发生于汉高祖二年（公元前205年）四月。双方以争夺战略主动权为目的，对荥阳、成皋展开反复争夺。至楚汉四年双方形成对峙。
垓下战役：发生子汉高祖五年（公元前202年）十一月。这是楚汉双方最后一次战略决战，韩信以三十万大军战胜项羽九万之众，项羽军被彻底歼灭，项羽自刭乌江，刘邦取得了楚汉战争的最后胜利。
§§§第一节 彭城战役
第一，彭城战前之形势
项羽分封诸侯时，将各地划分为三齐，即齐、胶东、济北三国，并以田都、田安、田市分别为齐、济北和胶东三国之王，但是，对于齐国之实权人物田荣和田横则未能封王，于是引起了三齐内乱。经过互相攻杀，田都逃往楚国避难，田安被田荣策动彭越而攻杀，田荣又亲自将田市斩杀于胶东国首邑即墨，田荣终于自立为齐王。三齐政治上的动乱，激起由于分封不公的一些诸侯反项羽的情绪，使项羽分封诸王侯时的极盛局面遭到破坏。田荣称王后，即派出兵马支援陈余，驱除了常山王张耳，恢复了赵国，齐赵两国遂形成了联盟。
在此时期之内，汉王刘邦进军关中，袭取了三秦，项羽知悉关中的情况后，十分焦急。是北攻三齐，还是西进关中，逼迫项羽必须立即做出战略决择。正在项羽举棋不定之时，张良按照与刘邦的预谋，对项羽说：“汉王失职，欲得关中，如约即止，不敢复东”。同时以齐王田荣反对楚国之言行也告知项羽。项羽遂解除了怕刘邦继续东进的疑虑，而决定发兵北攻齐地。
项羽的决定，实际上既是上了刘邦张良的谋略圈套，也是失于对张良情况的深入了解。张良家族五世相韩，楚灭亡了韩国，而张良辅佐的韩王成，又被楚所杀，这些情况，都是促成张良憎恨楚王的深刻的思想渊源。
汉高祖二年（公元前205年）一月，楚军攻入齐境，推进到城阳（今山东省即墨县），齐王田荣率军迎击楚军，两军立即在城阳附近展开战斗，田荣的齐军未经过重大战争的考验，自然无法与项羽亲自指挥的大军相匹敌，因而，齐军迅速溃败，田荣撤退到今山东平原县境时，被平原人打死。齐王既死，项羽复立在楚避难的田假为齐王，楚军乘胜攻略齐地。
楚军由于军纪不严，所经过之地区，烧杀抢掠，击杀降将降卒，从而引起齐人的愤慨，纷纷起而反抗楚军。齐王田荣之弟田横收编数万败兵，乘楚军向北海地区推进期间，以城阳为基地，展开敌后反击作战，并取得一定战绩。四月，田横立田荣之子田广为齐王，重建齐政权，在更大范围内对抗楚军。齐军由于得到齐国广大百姓群众的支持，使项羽军深陷齐境，难以很快取胜。这时项羽又得悉刘邦已率军东进，发展神速，对楚已构成重大威胁，但是项羽此时并未正视大局的变化，从而采取重大决策，结束对齐战争。
第二，彭城战役的起因
刘邦夺取了三秦的绝大部分地区后，鉴于项羽率军深陷齐境，齐赵两国也出现联合对楚的局面，认为进军中原的时机已经成熟，必须抓住战机立即行动。于是刘邦决心加快平定三秦尚未夺占之地区，一方面减轻百姓租税负担，安抚关中父老，巩固关中的地盘；一方面则陆续派兵出关东进。汉高祖二年（公元前205年）十月，刘邦率汉军进至函谷关一带地区，以兵威迫降河南王申阳，将申阳辖地设置为河南郡。接着刘邦命令韩太尉韩信攻伐被项羽封为韩王的前吴郡令郑昌，郑昌无力抵抗，也降归汉王，刘邦遂立韩信为韩王。
当汉高祖二年（公元前205年）三月，三秦战争已只剩废丘的围攻战时，刘邦就将关中的战争全部交由韩信指挥。自己率领灌婴、曹参等部将由临晋渡黄河，西攻魏王豹。魏豹未作抵抗，即归附刘邦，随即协同刘邦军一起向殷王司马卬进攻。汉军的神速进军，完全出乎司马卬意外，加之殷国事先又疏于战备，临时仓猝应战，一经交手也告失败，司马卬遂归降刘邦，汉军以破竹之势，胜利地进占河内广大地区。
殷国被刘邦占领后，形势本已十分严重，但项羽仍陷于齐地之战争中，汉王抓住时机，又由平阴津（今河南省孟津东）南渡黄河，进到洛阳东七十多里之新城地区。然后即向彭城推进。项羽在得知刘邦进袭彭城后，随即率兵迎击，于是展开了彭城会战。
第三，楚汉两军的作战序列
楚军
统帅：西楚霸王项羽
将领：范增、季布、钟离昧、项声、龙且、周蓝
兵力：三万余人。
统帅：汉王刘邦
将领：张良、灌婴、周勃、樊哙、曹参、夏侯婴、靳歙、陈平、郦商
诸侯军
塞王：司马欣
翟王：董翳
魏王：魏豹
殷王：司马卬
河南王：申阳
兵力：共五十六万人。
第四，楚汉双方作战策划
彭城即徐州，城邑四周虽被大小不等的丘陵。高地所环绕，但交通却十分发达，又有泅水、睢水流经县境，是东西南北交通之要冲，自古以来即为东方之重要战略城邑，彭城周围地区是大兵团交战的理想战场。
项羽得知刘邦进占彭城的消息后，立即选拔精锐骑兵三万多人，以突然迅猛的远程奔袭，迂回彭城以西，切断汉军西退之路，将汉军包围歼灭于彭城地区。
刘邦乘项羽率军攻齐；彭城空虚之机，率各路诸侯，以绝对优势之兵力进占彭城，捣毁项羽的根据地，进而歼灭项羽之军。
刘邦为使自己师出有名，在进到洛阳新城时，接受了董公“顾德者昌，逆德者亡”，“兵出无名，事故不成”、“明其力贼，敌乃可服”的建议，以讨伐项羽杀害义帝为名，进行了周密策划。刘邦亲自为义帝发丧，“袒而大哭，哀临三日”，装出悲痛欲绝的样子，制造舆沦，收买人心。刘邦为争取各诸侯，还派出使者通告各诸侯说：天下都共同拥戴义帝，尊敬朝廷，但项羽却违背民心，放逐义帝并将义帝杀害于江南，大逆不道。汉王刘邦亲自为义帝发丧，全军白衣素装，带关中全部兵马，率三河之士（河东、河内、河南），愿意同各诸侯王一起，共同起兵讨伐杀害义帝之人。刘邦仿了这样的策划之后，才开始发兵东进。
第五，楚汉双方的作战部暑
刘邦军按照预定的作战策划，决定了以下的主要部署：
（一）刘邦军，分三路大军向彭城进发：刘邦率张良、陈平、夏侯婴、靳歙、卢绾和河南王申阳、韩王信，司马欣、董翳、设王卬等诸侯军为中路。常山王张耳，魏王豹等也随同刘邦军行动。将军薛欧、王陵、王吸为向彭城进攻之南路军。曹参、灌婴、周勃、樊哙等率领北路军。
（二）韩信继续率军围攻废丘之章邯军。
（三）萧何镇守栎阳，仍负责前线部队之人力，物力的补给。
项羽军为防备汉军之东进，在进入齐境作战前后即做了一些战略上的部署，对黄河沿岸，定陶、中牟、太康、淮阳等地均布设兵力重点防守，彭城也留有一定兵力守备。
在刘邦军进占彭城等地后，项羽军又根据刘邦军进驻彭城附近地区的情况，决定以主力迂回彭城以西，截断汉军西撤的道路，一举将刘邦军歼灭于彭城以南地区。
第六，彭城战役的作战经过
汉高祖二年（公元前205年）四月，刘邦率领大军，分南北中三路开始向彭城及其周围地区推进。南路军进占今河南太康地区后，继续向苏北方向进击。北路军自围津（今山东省东明县境）渡过黄河，一部进到煮枣（今山东省菏泽地区），曹参则率领另一部大军击效楚将龙且、项它，占领定陶，再继续前进，攻占了胡陵（江苏省沛县北五十里有胡陵城）。刘邦所率之中路军，先攻下曲遇（今河南省中牟县境），进至外黄（今河南省杞县境）。此时彭越率领三万人马与刘邦相会。进而又向砀萧地区进军，顺利攻克该地，随即进驻彭城。
刘邦占领彭城，以为项羽老巢已被拔除，对项羽迅速回击的可能性估计不足，疏于戒备，整日在项羽宫内与美女大臣饮酒作乐，欢庆胜利。这时刘邦将五十余万大军布防于今山东之枣庄、曲阜、邹县，江苏省之沛县，安徽省砀山等地区。既无迎击项羽军可能回击彭城的战略计划，也未做相应的作战部署。
项羽得知刘邦军进占彭城消息后，十分焦急，决计将齐国战争的指挥权移交给部下，迅速回击彭城的刘邦军。项羽亲自挑选精锐骑兵三万余人，由鲁南向彭城方向急进；汉高祖二年（公元前205年）四月，项羽率军经鲁地将樊哙军击败于瑕丘，即急驰胡陵，乘夜暗再围萧邑，拂晓时突然发起攻击，汉军遭到意外的突击，仓惶向彭城方向逃走。项羽挥军追至彭城，与汉军展开大战，汉军对项羽军的突然袭击，无法组织有效的抵抗，自相残踏，乱作一团，被项羽军于彭城近郊斩杀十余万人。汉军纷纷向南溃逃，刘邦企图在吕梁山地区利用有利地势组织抵抗，但项羽军猛烈追杀，锐不可挡，刘邦只得继续败退。项羽军将汉军追到今安徽宿县灵璧城东睢水上，再斩杀汉军十余万，刘邦军跳入睢水溺亡者不计其数，睢水竟被阻塞断流。项羽军将刘邦及其残部包围了三层，正在聚歼之际，忽然西北大风猛袭而来，飞沙走石，树木被拔起，房屋被掀翻，一时之间天昏地暗，吹打得项羽军阵营混乱，刘邦趁此机会，仅带十余骑兵突围而逃，彭城一战，使刘邦遭到起兵以来最大的惨败。
刘邦在突围之后，先至沛县以图安抚家室再行西逃，但因家属已先逃，未得相见。在西逃中，遇见其子孝惠，其女鲁元，刘邦即将子女载上车同逃，但楚军紧紧追来，刘邦伯被楚军追及，三次把子女推下车去，但三次都被夏侯婴救起。刘邦的岳父及妻子吕后被楚军俘获，刘邦被楚将丁公追及，向丁公求饶后，丁公将刘邦放走。由此可见，刘邦彭城失败之狼狈状况。
第七，双方战后的动态
汉高祖二年（公元前205年）五月，刘邦率领残兵败将退至荥阳。此时，各诸侯王也发生了很大变化。殷王司马卬混乱中挤压而死，河南王申阳下落不明，魏王豹见汉军大势已去，借探视亲人之病返国，断绝河津，反汉附楚，翟王司马欣和塞王董翳也叛汉降楚，陈余发现张耳并未被杀，知道刘邦骗了自己，也借此反汉，与楚媾相。
萧河得知刘邦军败，即刻动员征发关中老弱和少年参军，以韩信统兵急驰荥阳救援刘邦。周勃，灌婴等人也率残兵陆续返回荥阳，汉军又得到恢复，才将大局形势稳定下来。
项羽军乘胜追至荥阳地区后，本可一举歼灭刘邦军，但由于韩信援军赶到，反击楚军取胜，遂阻止了楚军的推进，保住了战略重镇荥阳。
彭城战役评述
楚汉两军之间的彭城大战，是楚汉战争主战场项羽、刘邦亲自统率军队的第一次较量。这次战争，项羽以三万精兵大败刘邦五十六万军队，主帅刘邦几乎被项羽生擒，这构成了我国古代战争史上以绝对劣势之军战胜强大之军的奇迹。
项羽军在彭城之战的胜利，对改变楚汉两军的战略态势都至关重要。汉军攻占彭城后，已处于极为有利的战略地位，只要再接再厉，以高度的戒备状态，积极寻求与项羽军决战，是有可能夺取更大胜利的。但却疏于戒备，导致惨败。而楚军则因此军威大振，将汉军赶至荥阳以西地区，夺得了主战场作战相当大的主动权，楚军的胜利最重要的因素可以归结为以下几点：
战略指导上的雄才大略，英勇果敢是项羽军取胜的第一个因素。当刘邦以五十六万大军进占彭城之时，也正是项羽深陷齐境战争，进退维谷之际。项羽明知自己两面作战，且都城已被刘邦重兵占领，处于十分不利的境地。但他毅然决定将齐境作战交由部将指挥，自己仅率三万骑兵突袭五十多万汉军。这又一次证明项羽既是“力拔山兮气盖世”的勇士，更是雄才大略、坚毅果敢、英勇无比的优秀统帅。刘邦长时期谋划的东进之战，在项羽一击之下，即冰消云散的事实，更突出了项羽的这种统帅才能和可贵的气质。
奇兵突袭，出敌意外是项羽军取胜的第二个因素。项羽率三万骑兵，以迅雷不及掩耳之势迂回彭城，打了刘邦军一个措手不及，使刘邦军来不及组织抵抗，即告溃败。项羽军乘胜追杀千里之遥，刘邦二败再败，几乎全军覆没。这再次说明善出奇兵，骤然临之，常可以获取巨大的成果。可以设想，假如不是韩信率兵及时赶至荥阳地区，阻止了项羽军的追杀；如果项羽军部将丁公不放走刘邦，那么楚汉战争以后的发展和结局，则很可能又当别论了。
以精锐骑兵为主体，充分发挥骑兵快速突击的特长是项羽军致胜的第三个因素。项羽所率之骑兵系以楼烦骑兵为主体，马匹精良，久经沙场，勇猛异常。这些骑兵过去在蒙恬统率下对匈奴作战，积累了相当丰富的作战经验，以这样凶猛强悍的骑兵对付刘邦的步兵车骑，虽居于数量上的绝对劣势，但在每一个局部作战地区，则很可能形成相对的优势，因而项羽军能够千里冲杀，所向披靡。
楚国实力雄厚，且在楚国本土作战，人和、地利的优势是项羽军取胜的第四个因素，项羽虽率领大军在齐国作战，彭城被刘邦占领，但楚国地域宽广，楚之民心无疑仍倾向项羽。因而，项羽大军兵锋所至，刘邦军自然也就无可靠之依托，军资供应也难免不发生危机，势必影响刘邦军之军心斗志。