当时钱塘江上游的桓楚等人也起来造反。为了扩大力量，项梁派项羽到桓楚山寨，联络他们一道反秦。桓楚说：“秦虽无道，但兵力很强，没有盖世之勇，不足与敌，你能敌万人，我们就服从你，院中有一大鼎，千斤重，你能举得起吗？”项羽来到院中，先让桓楚手下四名壮健大汉一齐举鼎，大鼎纹丝未动，项羽撩起衣襟，走近鼎前，握住鼎足，生根似的大鼎被他高高举起，而且三起三落，在场的人都目瞪口呆，惊叹项羽力大无比。于是，桓楚满口答应合兵一处，从羽起义。项羽和项梁的队伍逐渐扩大到八千，号称子弟兵。

陈胜、吴广起兵反秦虽然相继失败，但农民起义的烈火越烧越旺。项羽和项梁迅速带兵渡江北上，沿途不断招纳义军，队伍逐渐扩大到六、七万人。到了江苏北部，和秦军相遇，打败了秦军的先头部队，在山东南部驻扎下来，项羽和项梁召集各路将领在薛县开会，商议伐秦大事，刘邦也赶来参加。他们采纳谋士范增的意见，立楚怀王的孙子熊心为楚王。项羽被封为鲁公，刘邦被封为沛公。义军在山东的西南部，打了几次胜仗，项梁骄傲了，遭秦王朝主力章邯部偷袭战死。项羽退到彭城(今徐州)西部驻扎下来。这时章邯率领30万大军攻打赵歇的义军，把赵军的巨鹿城团团围住。赵歇派人多次求救，楚怀王任命宋义为上将，项羽为次将，范增为末将，带领20万大军救赵。行至安阳(今河南安阳市西南)，宋义令大军安营扎寨，停步不前，一共呆了46天不发兵，项羽再三催促仍按兵不动。项羽于是杀了宋义，上报怀王，怀王使项羽为上将军。项羽带领全军渡过黄河，他吩咐将士，各人带上三天干粮，把做饭的锅都砸了，把船都凿沉了，营房帐篷都烧了，表示只有前进，绝不后退，决心打败秦军。

章邯听到楚军要跟秦军决一死战，把秦军分成九路向项羽扑来。项羽一马当先，全军上下无不奋勇以一当十向前，辗转三回，和秦军激战九次，均获全胜。当时各路诸侯救兵，本来不敢和秦军交战，见项羽军队如此勇猛，个个心服。项羽召见各诸侯将领时，他们都跪着垂首向前，一致表示：“听从上将军指挥。”

稍事休整，项羽率诸侯军30万人西征，紧紧咬住秦将章邯的部队，迫使章邯投降。

公元前206年，项羽率兵挺进至函谷关下。由于在巨鹿之战中项羽消灭了秦军的主力部队，刘邦得以从河南南部、陕西西南顺利地攻占了秦都咸阳。刘邦想占据关中称王，于是派兵守住函谷关，阻止项羽西进。项羽很生气，派当阳君等轻而易举地攻下了函谷关，来到离咸阳很近的鸿门驻下。当时项羽有四十万人马，而刘邦只有十万人。项羽在盛怒之下，表示非消灭刘邦不可。不料，这个消息被项羽的叔父项伯泄漏出去。因项伯曾经杀过人，逃到下邳投奔张良，与张良交上朋友。这时候张良跟随刘邦，项伯便连夜骑马到刘邦军营把真相告诉张良，劝他赶快逃走。张良又告诉刘邦，刘邦非常害怕，接连向张良问计。在张良的提示下，刘邦收买项伯，请项伯在项王面前多多美言。项伯连夜赶回军营，在项羽面前替刘邦说了许多好话，并说：“人家明天还来向你‘请罪’呢！”第二天项羽见刘邦真的来了，便设宴款待他。刘邦小心地说：“我进关以后，什么都不敢作主，只把秦国的官员和百姓安抚一下，封了库房，等待你前来接收。”项羽听了便没有话了。可是范增料到刘邦将来必是劲敌，此时不杀刘邦，必有后患。他在一旁急得直作手势，项羽并不理睬。范增急了，把项庄请来舞剑，意在刺杀刘邦。项伯为掩护刘邦也来舞剑，击杀刘邦终不得手。刘邦吓得心惊肉跳，席间乘机说到厕所去，逃跑了。这就是历史上有名的“鸿门宴”。