楚汉两军，前后相持三年，主要的阵地始终在京、索、荥阳、成皋之间。
拿近代的话来说，这差不多是阵地战。相当于今日壕沟的是城墙与壁，壁是土墙。在野外的阵地中，楚汉双方均筑有这样的壁，作为掩护。汉军的前锋是在荥阳。后方输送全靠渭河、黄河，以敖仓为终点，在敖仓与荥阳之间，有类似交通壕的设置，叫做甬道，也就是狭长的双重的壁。今日突破阵地，是用坦克车来冲锋；在古代，非得敌人也出壁来应战才有交锋的可能。因此，需要挑战、骂阵等等。但到了交锋的时候，也有一种陷阵的利器，那便是用马拖的兵车。汉军之中最擅长使用兵车的是夏侯婴。他每次作战，均能“以兵车趣攻战疾”，所谓趣攻，所谓战疾，都含有“冲”的意思。两军相持都能维持甚久，原因是交锋的机会很少，平常都是用弓弩保持自己的阵脚，以补助土壁之不足。
在京县与索县之间的楚汉两军的阵地，很显明，汉军的一方占有地形上的优势。索县之正西有广武山，西北有虎牢关，西南有嵩山。在索县与虎牢之间，又有汜水。更西，是巩县，已经到了很高的黄土层。凡是走过陇海铁路的人，未有不惊奇于这汜水车站以西的一层比一层高的黄土层。在这里，楚军来攻汉军，便是仰攻。就交通的情形来说，汉军所占的地势，也较为优良。从栎阳到敖仓有黄河接着渭河，两岸均为自己或友军的领域，不受任何威胁。并且以水道来运输粮食与补充兵员，顺流而下，也远胜当时陆地上的车运。因此，一败涂地的汉军，退到索县一带便能稳住，长胜的楚军竟然费了几年的力量，而不曾能越过巩县。
除了地理的因素之外，汉军之所以能够与楚军相持于此，还有政治上、战略上更重要的原因。当刘邦彭城突围，狼狈西奔的时候，荥阳（荥泽）的守军虽多，未必能抵抗得了项羽的主力。是倚靠辩士萧何疏通了九江王英布，突然在安徽西南，宣布背楚附汉，才牵制了大量的楚军。虽则英布终于为项羽所击破，丢掉了九江郡的地盘，但刘邦已能从从容容，布置妥当新的阵地。
在后方，他又除去了心腹之患，那死守废丘的章邯。废丘城，他引水来灌，城中的军民投降，章邯自杀。为了安定后方的人心，巩固后方的防务，于是立刘盈为太子（即后来的汉惠帝）。太子与萧何留守栎阳，令诸侯的世子，凡是在关中的都来栎阳，为太子的侍卫（实际上是藉以确保诸侯忠顺的人质）。一切的庶政与军国大事，均责成萧何：制法令，立宗庙，筑城邑，计户口，以及转粮给军，补充兵员。能于事先奏明刘邦的，先奏后行；时间上不允许先奏的，准许萧何先行后奏。前方后方，因此，保有了密切的合作。后方组织的坚固，足以保证前方的胜利。在敌人的后方，刘邦又发展游击的工作。虽则英布已经失败，只身来到汉王的军营，但是他仍有一部分的兵力留在九江郡的地域。刘邦帮助他派人去召集这些散兵，果然又集合了数千之众。刘邦同时分了一些汉兵，去增大九江兵的声势。
英布以外，奉刘邦之命担任游击的又有一个彭越。彭越原是巨野泽的水寇，对于山东省西南部，河南省东北部，与江苏省西北部的边区最为熟悉。在汉王东袭彭城的时候，他已经聚集了三万余人，占有了十余城邑，在外黄加入刘邦的大军。刘邦既败，他收兵退处于黄河北岸，滑县附近。此后他就以定陶、巨野一带为根据地，“往来为汉游兵，击楚，绝其后粮于梁地”，竭力破坏彭城与荥阳之间的交通与输运。
萧何采摭秦法，重新制定律令制度，为《九章律》。
反之，在项羽的一方也未尝没有对付刘邦的对策。项羽在彭城之战的明日，就设法使得附和刘邦的诸侯，一一背汉归楚。塞王司马欣与翟王董翳逃到项羽的军中，帮助项羽来围攻荥阳。西魏王魏豹，则假托回国省亲，立刻断绝了黄河的渡口，与刘邦脱离关系。这对于全恃水道运输的刘邦造成了很大的威胁，因为黄河的北岸有一段是在西魏国的境界；而且倘若西魏的兵，一旦由临晋津渡河西向，栎阳与全部的关中，便遭遇极大危险。
刘邦认为这西魏叛变必须迅速解决。他派遣辩士，辩士失败。他只得派遣军队，交由韩信率领。韩信设疑兵于临晋，突从夏阳渡河而一举占领安邑，俘虏魏豹。魏豹再度降汉，又成了汉军守荥阳的将领之一。但是西魏国的土地不能再交给魏豹，刘邦他不想另封其他的人。他设立河东、太原、上党三郡，把这三郡都一概划入自己的汉国。这是刘邦的一贯政策，他在甘肃与陕西，已经设置了陇西、北地、上郡、渭南、河内、中地诸郡。以郡县代替封建，是刘邦增厚实力的秘诀；因此，他能够脚踏实地，打下一处，便据有一处（其后灭了项羽，大封功臣同姓，也只是实行郡国制度，于郡县的基础之上，加一层封建而已，以十五个郡直属中央，余下的才分封各国）。
韩信平了西魏之后，在上党郡的阏与（和顺县西北），遭遇了赵代二国的援军。代王陈余，本是最先反楚的一人，他逐走项羽所封的常山王张耳，迎归赵王歇，而自封代王；他与刘邦理应站在同一条战线。无奈刘邦收容了张耳，因此陈余又不得不与刘邦为敌。结果，在阏与，陈余的大将夏说为韩信所斩杀。
韩信随即由娘子关，东出井陉。陈余自恃兵多，不肯听从李左车的计策，以奇兵截断韩信的粮道，以正兵堵住井陉的关口。他专要等待韩信的部队走出娘子关，正式交战，一决雌雄。到了正式交战的时候，韩信先是诈败，败退到预先布置于绵蔓水河边的一万人的营中，就突然作坚强的抵抗；韩信在当天的黎明之前，又已经派出两千人埋伏于赵军营垒附近的山上，这两千人此时都走下山来，袭取赵军的空营，拔去陈余的军旗，插上汉军的军旗。陈余及其部下，向前不能击破韩信的水上军，退后又回不了自己的营垒，军心立刻动摇。陈余被追斩于泜水之上，赵王歇成为俘虏。汉军的声势，恢复了东袭彭城时的浩大。远在今日北京的燕王臧荼，也向汉军输诚。这是汉王三年十月至十二月的事（这时候仍用秦的历法，以十月为岁首，三年十月紧接二年的闰九月，东袭彭城是在二年四月，战败是在五月）。
但是项羽仍不为黄河北岸方面的局势所摇动，仍旧坚持着在荥阳城下的阵地战。他的战略，是断绝汉军与敖仓之间的甬道，使得汉军因乏食而屈服。这战略相当收效。刘邦数次讲和，愿意割荥阳以西为汉，荥阳以东为楚，项羽不许。刘邦又改用陈平的计策，以金钱收买项羽的左右，离间他的君臣。范增因见疑而辞职，死在回居巢县家乡的中途，彭城附近。项羽继续围攻荥阳，刘邦继续死守。
这时候敖仓刘邦的甬道常遭断绝，荥阳是否尚有死守的价值，或有无守的可能，开始值得考虑。刘邦决定，他自己先离开荥阳。在某一天的夜里，他命令纪信伪装自己，夹在二千名女子之中，出东门诈降，引起了楚军大众，一齐聚集东门来观看女子，他就带了几十个骑兵，出西门遁出，回到函谷关内，征调新兵。
新兵征调齐集，他不出函谷，而忽然改出武关。项羽只得引兵南向，他却坚守宛县，不肯交战，暗中命令彭越，利用这个时期，在北方骚扰徐州附近的下邳，大破楚军。项羽回师去击彭越，刘邦就跟踪追击，驻军成皋。项羽只得又丢开彭越，赶来对付刘邦，第一步以全力攻下荥阳，第二步进围成皋。刘邦自知不敌，逃出成皋，北渡黄河，到了修武。
在修武，他诈称汉王的使者，在夜里骑马走进韩信与张耳的军中，趁着韩张二人尚在酣睡，夺去他们的兵符，更换各单位的军官。他于是又直接掌握了若干军队，声势复振，布置兵力在黄河北岸，为南岸的声援。同时命令张耳回国，多调赵兵助战；又命令韩信袭齐，攻取山东。此外，派了刘贾，以两万人渡白马津，到定陶帮助彭越。彭越随即攻占陈留、外黄、睢阳等十余县城。
在汉王四年的开始，项羽觉得阵地战不妨拖延，而敌人的游击队伍，不可不早日肃清。他决定以十五日的光阴，彻底解决彭越，令大司马曹咎谨守成皋，勿与汉军交锋。无奈曹咎忍受不了汉军的辱骂，终于在五六日后出城应战，渡兵汜水。楚军半渡，汉军反攻，楚军大败，曹咎自杀。汉军收复了成皋与荥阳，在荥阳的东边围住楚军的大将钟离昧。这消息传到了项羽那里，项羽刚刚击败彭越，取回陈留、睢阳等城，不得不中途放弃那消灭彭越的计划，回到荥阳的阵地来。
齐国的情形也发生变化。齐国的田氏，诚然是项羽的敌人，但已经入于休战的状态之下。刘邦一面派了韩信，去图谋齐国的土地，一面又派了辩士郦食其游说齐王田广，令他附汉反楚。田广听从了郦食其的游说。不料韩信又突然击破齐国驻扎在济南（历下）的军队。田广怒而烹杀郦食其，继而仓皇东奔，放弃临淄，在高密遇到项羽所派来的、由大将龙且所率领的援军。
龙且与韩信夹潍水而战，龙且在水东，韩信在水西。交战的前夜，韩信叫兵士用一万包的沙袋，塞住潍水的上游。交战开始，韩信引兵渡河，佯作不胜，退至水西。龙且引兵追击，半渡，韩信叫兵士提去上游的沙袋，于是楚军的大部分不能渡河。结果是：楚齐联军全军覆没。龙且被杀，田广被俘。韩信被刘邦封为齐王，齐国与彭越的游击区连成一片，从临沂与定陶两路威胁彭城。
项羽这才开始感觉恐慌。他派人去游说韩信，劝韩信中立于刘、项二人之间，三分天下；韩信不听。他又派人去疏通刘邦，说与其这样相持下去，徒苦百姓，何妨你我二人单枪独马，一决雌雄。在项羽的本意，无非表示厌倦战争，希望和解。因此，这誓不并立的，相持数年的两位英雄，又有了一次直接谈和机会。不料刘邦十分骄傲，根本拒绝了项羽的要求，利用谈和的机会，当面宣布项羽的十大罪状。项羽大怒，立刻以伏弩惩戒刘邦，刘邦胸上带箭，退入成皋。
不久，和约依然成立。楚汉两军，划定鸿沟为界，鸿沟所占的土地，在大体上是今日的贾鲁河。项羽也许认为双方已经可以暂时和平相处。张良认为这正是最后大决战的开始。