由于项羽分封不公，引起诸侯和功臣不满。先是田荣据齐反楚，项羽急忙率军讨伐，汉高祖便乘隙东进。公元前二0八年八月，汉军从汉中潜出故道，打败项羽所分封的秦地三王，迅速东进，直抵阳夏（今河南太康）。接著，又乘项羽与齐军交战之际，一举攻入楚都彭城，羽急忙率三万精兵还救彭城。

此时，汉高祖仗恃兵多将广，麻痹轻敌。项羽军则收复失地心切，斗志旺盛。三万楚军在项羽率领下，出山东经胡陵（今山东鱼台东南）趋萧（今江苏箫县西北），直抵彭城汉军侧背。战斗从拂晓开始，楚军勇猛顽强，边打边冲。到了午时，已将汉军打得大败。楚军追到彭城东北的泗水，汉军纷纷落水，死者十余万。汉军向南方山地溃逃，楚军追击至灵壁（在今安徽省）以东的睢水上，又歼灭数十万人。汉高祖只率数十骑逃出重围，连妻子吕雉和父亲太公都作了项羽的俘虏。彭城一战，项羽决策果断，迅速率精兵回救彭城，出敌不意，击溃汉军数十万之众，是战史上以少胜多的范例。

彭城之役后，项羽乘胜进军，在京邑、索亭间（荥阳西、南）同汉高祖打了一仗，结果被阻于荥阳以东。双方在成皋一带相持两年之久。这期间，汉高祖采取了正确的作战指导，扼守成皋，在持久战中消耗对方实力，伺机反击；项羽找汉高祖决战，又急攻不下。双方力量对此发生了根本变化，汉军由弱变强，项羽由强变弱。

汉高帝五年（公元前202年），汉高祖发兵向项羽发动总攻，在垓下把项羽军团团包围。此时，十万楚军已兵疲粮尽，士气低落。夜间又听到汉军在四面唱起了楚歌。项羽大为吃鶭，便借酒浇愁，慷慨悲凉地唱道：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何干，虞兮虞兮若奈何？”唱罢飞身上马，带领八百骑突围南去。来到东城（今安徽定远东南），只剩28人。他想东渡乌江重整旗鼓，又觉无颜见江东父老，奋力拚杀一阵，遂横剑自刎而死，年仅31岁。汉王刘邦以鲁公礼葬项羽于谷城(今湖北省襄樊市谷城县）。

项羽是一位超群的军事统帅。他能征善战，战场上豪气盖世，叱吒风云。巨鹿之战，项羽破釜沉舟，以寡击众，全歼秦军主力，客观上为汉高祖进入咸阳，推翻秦朝创造了条件。楚汉战争中，破田荣，救彭成，救荥阳，夺成皋，一生大战数十次，多获胜利。所以，古人称他「有百战百胜之才」（苏洵嘉佑集?项籍）。

然而，项羽又是一位悲剧式的人物。秦朝灭亡后，他自称霸王，忙于分封诸侯，扶持六国贵族的残余势力，违背了人民要求统一的愿望，造成了混乱割据的局面。他行为残暴，坑杀秦降卒二十万余。入关后，火烧秦宫，大火三月不息。他烧杀虏掠的暴行，违背了人民的意志，是他战败的根本原因。项羽自恃武功以威慑诸侯，缺乏远见，不争取同盟。又妒贤嫉能，不能用人，招致众叛亲离，军心涣散。军事上，他缺少战略家的眼光，刚愎自用，不纳良言。以致屡失战机，没有巩固的后方基地，没有充足的粮饷和兵源，虽然屡战屡胜，反而由盛而衰。所以，虽然项羽具有杰出的军事指挥才能，最终也难以避免失败