到了秦二世二年七月，经过一年起义的项梁终于取得一定成果，在东阿、濮阳、定陶、成阳、雍丘连破秦军，这种喜悦使得项梁变得洋洋自得，从而低估秦军力量，放松警惕。
而章邯在得到秦二世的援兵后，立即率军进攻楚军，秦楚大军战于定陶，以项梁战死告终，史称定陶之战。
项梁死后，项羽虽然痛心，但为了大局考虑，为了避免楚军被秦军一一击破，他们主动率部退守彭城一带。而此时章邯杀了项梁后觉得楚军已经不足为虑，就转头去攻打赵国，如此就让项羽有了喘息机会，重新恢复和壮大起来。
接下来就是历史上著名的钜鹿之战了。
当时秦军上将军章邯打败并杀死楚地反秦义军首领项梁后，认为楚地已不足忧，于是渡过黄河，汇合前来增援的王离军20万一起攻打赵国，大败赵军。
这时候，赵歇为王，陈余为大将，张耳为国相，都逃进了钜鹿城。章邯命令王离、涉间包围了钜鹿，自己的军队驻扎在钜鹿南边，筑起两边有墙的甬道给他们输送粮草。陈余作为赵国的大将，率领几万名士卒驻扎在钜鹿北边，这就是所谓的河北军。
无奈之下赵王派使者向楚怀王以及各国诸侯求援。当时秦军十分强大，救赵诸军驻扎在巨鹿城北，陈馀曾派陈泽率五千人先去试试秦军的力量，结果是到了那里就全军覆没了，自此，诸侯联军没有人敢前去迎战。
秦二世三年十二月，项羽率楚军到达巨鹿县南的黄河，立刻派遣英布和蒲将军率2万义军渡过河，援救巨鹿。二将渡河后初战小胜，赵将陈余又催促进兵。接着，项羽率领全军渡过黄河，命令全军破釜沉舟，烧掉房屋帐篷，只带三日粮，以示不胜则死的决心，以迅雷不及掩耳之势直奔巨鹿，击败章邯部保护甬道的秦军，断绝王离部的粮道，包围了王离军队。
项羽的决心和勇气，对将士起了很大的鼓舞作用。楚军把王离的军队包围起来，个个士气振奋，以一当十，越战越勇。经过九次激烈战斗终于打退章邯，活捉了王离，杀死了秦将苏角，秦将涉间举火自焚，其他的秦军将士有被杀的，也有逃走的，围困巨鹿的秦军就这样瓦解了。
之后章邯的军队驻扎在棘原，而项羽的军队驻扎在漳河南，两军对阵，相持未战。
由于秦军屡屡退却，秦二世就派人来责问章邯。
于是章邯害怕了，派长史司马欣回朝廷去请示公事。司马欣到了咸阳，被滞留在宫外的司马门呆了三天，赵高竟不接见，心有不信任之意。长史司马欣非常害怕，赶快奔回棘原军中，都没敢顺原路走，赵高果然派人追赶，没有追上。司马欣回到军中，向章邯报告说，赵高在朝廷中独揽大权，下面的人不可能有什么作为。如今仗能打胜，赵高必定嫉妒我们的战功，打不胜，我们更免不了一死。希望您认真考虑这情况！
这时，陈馀也给章邯写了封信，说白起身为秦国大将，南征攻陷了楚都鄢郢，北征屠灭了马服君赵括的军队，打下的城池，夺取的土地，数也数不清，最后还是惨遭赐死。蒙恬也是秦国大将，北面赶跑了匈奴，在榆中开辟了几千里的土地，最终也被杀害于阳周。这为什么呢？就是因为他们战功太多，秦朝廷不可能每个人都予以封赏，所以就从法律上找藉口杀了他们。如今将军您做秦将已三年了，士卒伤亡损失以十万计，而各地诸侯一时并起，越来越多。那赵高一向阿谀奉承，时日已久，如今形势危急，他也害怕秦二世杀他，所以想从法律上找藉口，杀了将军来推卸罪责，让别人来代替将军以免去他自己的灾祸。将军您在外时间长久，朝廷里跟您有嫌隙的人就多，有功也是被杀，无功也是被杀。而且，上天要灭秦，不论是智者，还是愚者，谁都明了。现在将军您在内不能直言进谏，在外已成亡国之将，孤自一人支撑着却想维持长久，难道不可悲吗？将军您不如率兵掉转回头，与诸侯联合，订立和约一起攻秦，共分秦地，各自为王，南面称孤，这跟身受刑诛，妻儿被杀相比，哪个上算呢？
当时章邯犹疑不决，秘密派军候始成，到项羽那里去，想要订立和约。但和约没有成功，项羽命令蒲将军日夜不停地率兵渡过三户津，在漳河之南驻扎下来，与秦军交战，再次击败秦军。项羽率领全部军兵在污水攻击秦军，把秦军打得大败。
章邯又派人来求见项羽，想订和约。项羽召集军官们商议说部队粮草不多，我想答应他们来订约。得到军官们同意的项羽就和章邯约好日期在洹水南岸的殷墟上会晤。订完了盟约，章邯见了项羽，禁不住流下眼泪，向项羽述说了赵高的种种劣行。项羽封章邯为雍王，安置在项羽的军中。任命司马欣为上将军，统率秦军担当先头部队。
巨鹿之战最终以章邯投降而结束，项羽成为了诸侯上将军，得到其他诸侯国的拥戴。