项梁自东阿起兵，向西一直打到定陶，再破秦军，项羽等人又斩杀李由，便开始轻视秦军，骄傲起来。于是部将宋义劝项梁说：“战胜而将骄卒惰者败。今卒少惰矣，秦兵日益，臣为君畏之。”(《史记?项羽本记》)项梁不但听不进去。反而让宋义去出使齐。宋义在路上遇到了齐使者高陵君，对他说：“臣论武信君军必败。公徐行即免死，疾行则及祸。”(《史记?项羽本记》)秦兵果然在章邯的率领下攻击楚军，在定陶大破楚军，项梁战死。刘邦、项羽此时正在攻打攻陈留，但陈留守军非常顽强，久攻不下。刘邦、项羽认为：“今项梁军破，士卒恐。”(《史记?项羽本记》)于是与吕臣的军队一起引兵东返，吕臣的军队驻扎在彭城东，项羽的军队驻扎在彭城西，刘邦的军队则驻扎在砀。
章邯破项梁军后，认为楚地的军队不足为忧，便渡河攻赵，大破赵军。此时，赵歇为王，陈余为将，张耳为相，都进入巨鹿城。章邯令王离(秦将王翦之孙、王贲之子)、涉间围攻巨鹿，章邯率军攻巨鹿南。
不久，宋义所遇到的齐使者高陵君见楚怀王，把先前之事告诉了楚怀王，楚怀王因此命宋义为上将军，项羽为鲁公，为次将，范增为末将，北上救赵。诸将皆归宋义统领，号为卿子冠军。楚军行至安阳，滞留四十六日不进。项羽说：“吾闻秦军围赵王巨鹿，疾引兵渡河，楚击其外，赵应其内，破秦军必矣。”(《史记?项羽本记》)而宋义则任为应先坐观秦赵相斗，然后乘两者都疲敝不堪时再下手。当时天寒大雨，士兵又冻又饿，而宋义为了送儿子到齐国，却饮酒高会。项羽怒曰：“将戮力而攻秦，久留不行。今岁饥民贫，士卒食芋菽，军无见粮，乃饮酒高会，不引兵渡河因赵食，与赵并力攻秦，乃曰：‘承其敝’。夫以秦之强，攻新造之赵，其势必举赵。赵举而秦强，何敝之承！且国兵新破，王坐不安席，埽境内而专属于将军，国家安危，在此一举。今不恤士卒而徇其私，非社稷之臣！”(《史记?项羽本记》)项羽在早上进见时，在其帐中诛杀宋义，提着宋义的人头，号令军队说：“宋义与齐谋反楚，楚王阴令羽诛之。”(《史记?项羽本记》)此时，诸将都震慑惧服，没有谁敢支支吾吾，都极力表示拥护项羽为代理上将军。项羽派人追杀了宋义的儿子。让桓楚将此事报告给楚怀王。楚怀王命项羽为上将军。
杀卿子冠军宋义之事，威震楚国，名闻诸侯。当即派当阳君黥布和蒲将军统兵两万渡河救巨鹿。战事稍稍有些胜利，赵将陈余又请求援兵。项羽便统帅全部军队渡河，渡河后沉掉全部船只，砸毁锅甑，烧掉营垒，只携带三天的干粮，以此向士卒表示要决一死战，决不后退的意志。于是一到巨鹿就包围了王离，与秦军接战九次，截断他们的甬道。大败秦军，杀了苏角，活捉王离，涉间不投降，自己烧死了。此时，楚军雄冠诸侯，巨鹿城下，诸侯援军有十多座营寨，都不敢出兵。等到楚军攻打秦军时，诸侯军的将领都在壁垒上观看，楚军战士无不一以当十，杀声震天，诸侯军无不人人惴恐。打败秦军之后，项羽召见诸侯将领，他们进入辕门时，无不膝行而前，莫敢仰视。项羽从此成为诸侯的上将军，各路诸侯都归属于他。
巨鹿一战，项羽以破釜沉舟的勇猛精神，一举消灭了秦军主力，奠定了项羽称霸的基础(参见巨鹿之战)。
巨鹿之战后，章邯元气大伤，又受二世和赵高的责备、疑忌，感到处境的危险。几次派人找项羽谈判投降的事，项羽都没应允，而且连续进行了几次打击。后来考虑到自己粮少，接受章邯投降(参见漳汙之战)，立章邯为雍王，让长史司马欣任上将军，统帅秦军给楚军打先锋。
到新安(今河南渑池东)，诸侯军中的官兵过去服徭役或防守边疆路过秦中时，秦中官兵对待他们多有无礼之处，等到秦军投降了诸侯，诸侯军中的官兵很多乘胜把秦军官兵当奴隶俘虏使唤，虐待侮辱他们。秦军官兵很多人暗地议论：“章将军等诈吾属降诸侯。今能入关破秦，大善；即不能，诸侯虏吾属而东，秦必尽诛吾父母妻子。”(《史记?项羽本记》)将领们暗中听查到这些议论，报告给项羽，项羽召集黥布、蒲将军等人商议说：“秦吏卒尚众，其心不服，至关中不听，事必危。不如击杀之，而独与章邯、长史欣、都尉翳入秦。”(《史记?项羽本记》)于是楚军夜间在新安城南把秦兵二十万全部坑杀。灭秦后项羽分封，把三秦封给章邯、司马欣、董翳三人。关中百姓把这三个人恨透了。这是刘邦为什么那么容易“还定三秦”的重要原因。
项羽进军关中，因函谷关已住有刘邦派的兵把守，进不去。又听说刘邦已经攻破咸阳(参见项羽、刘邦灭秦之战)，项羽大怒，派当阳君黥布等攻下函谷关，项羽入关后，驻军于戏(今陕西临潼东北新丰镇东南戏水西岸)西。刘邦的军队则驻扎在霸上。此时，刘邦的左司马曹无伤派人告密说：“沛公欲王关中，使子婴为相，珍宝尽有之。”(《史记?项羽本记》)项羽大怒，要和刘邦决战。当时，项羽兵力有四十万，而且兵强马壮，驻军在新丰鸿门；刘邦兵力只有十万，驻军在霸上。范增说项羽曰：“沛公居山东时，贪于财货，好美姬。今入关，财物无所取，妇女无所幸，此其志不在小。吾令人望其气，皆为龙虎，成五采，此天子气也。急击勿失。”(《史记?项羽本记》)希望项羽能尽快杀死刘邦，以免后患。刘邦考虑到双方实力悬殊，采纳了谋士张良给他出的以屈求伸的主意，在鸿门宴上，婉言卑辞，乖乖地称臣伏低，解除项羽对他的怀疑和警惕。项羽则没有听从范增的意见，放走了刘邦。范增气愤地说：“唉！竖子不足与谋。夺项王天下者，必沛公也。吾属今为之虏矣。”(《史记?项羽本记》)刘邦回到军中，立即杀死了曹无伤。
鸿门宴后，项羽引兵西屠咸阳，杀秦降王子婴，烧秦宫室，大火三月不灭，收其货宝妇女而东去。此时，有人对项羽说：“关中阻山河四塞，地肥饶，可都以霸。”(《史记?项羽本记》)但项羽见秦宫室都被烧残，又急于东归，便说：“富贵不归故乡，如衣绣夜行，谁知之者！”(《史记?项羽本记》)那人说：“人言楚人沐猴而冠耳，果然。”(《史记?项羽本记》)项王听后大怒，将其烹死。此事充分说明了项羽在战略上目光短浅，为他后来的失败埋下了伏笔。
汉王元年(公元前206年)，项羽以霸王的身份，分封诸侯：刘邦为汉王，都南郑；章邯为雍王，都废丘；司马欣为塞王，都栎阳；董翳为翟王，都高奴；魏王豹为西魏王，都平阳；申阳为河南王，都洛阳；韩王成因故都，都阳翟；司马昂为殷王，都朝歌；赵王歇为代王；张耳为常山王，都襄国；黥布为九江王，都六；吴芮为衡山王，都邾；共敖为临江王，都江陵；燕王韩广为辽东王；臧荼为燕王，都蓟；齐王田市为胶东王；田都为齐王，都临淄；田安为济北王，都博阳；自立为西楚霸王，王九郡、都彭城。