是时，汉还定三秦。项羽闻汉王皆已并关中，且东，齐、赵叛之：大怒。乃以故吴令郑昌为韩王，以距汉。令萧公角等击彭越。
——《史记·项羽本纪》
汉元年（前206年）五月，汉王刘邦经过一个多月的准备，得知章邯已经将军队调往褒斜道后，在韩信的建议下，决定沿陈仓道杀回关中。
于是，刘邦留丞相萧何镇守南郑，负责署理汉中、巴蜀事务，镇守后方、安抚人心，并征收巴蜀赋税，供给前线军粮，自己则亲率大军，沿陈仓古道北上关中。
由于刘邦大军一路偃旗息鼓，再加上章邯的势力向南渗透有限，而他的防御重点又在褒斜道，导致始终没有发觉刘邦已经率兵北上，等他得知消息之时，刘邦的大军已经攻破了大散关。
大散关作为关中四关之一，自古便为“川陕咽喉”，战略地位极为重要，从周朝以来便是关中地区的防御重点，直到秦国占领巴蜀之后，因为不必再担心来自秦岭以南的威胁，这才使大散关的战略地位有所下降。
虽然由于章邯将防御重点放在了褒斜道，导致大散关的防守十分薄弱，但章邯守军毕竟占据了地利，仅凭刘邦的军队，想要在狭窄的峡谷地带攻破关城，显然并非易事，若是耽搁太久，章邯援军赶到，自己必将会被堵死在这狭窄的峡谷之中。即使能够攻克，也必然要付出不小的代价，势必要对后续收复关中产生影响。
在出兵北上之前，韩信曾在汉中当地招募了不少士卒，实在不想强行攻关的刘邦，便命人在这些汉中当地的士卒中，寻访熟悉这一带地形者，询问是否有其他路可绕过大散关。一番询问下来，来自汉中的士卒赵衍献计，说有一条小路可绕过大散关直抵关中。
于是，刘邦派遣精锐士卒，跟随赵衍绕道进入关中，然后自北向南，配合大军前后夹击大散关守军，从而轻松攻破大散关，大军顺利杀出陈仓道。
章邯在得知刘邦已经攻破大散关，杀入关中之后，立即派人调遣原本驻军于褒斜道的守军增援陈仓县（今陕西宝鸡），抵御刘邦的进攻。
然而，由于章邯被刘邦修补栈道的举动所骗，根本没有料到刘邦会这么快北上，驻扎于褒斜道的守军更多是起到监视的作用，兵力并不算太多，又如何抵御刘邦的大军，结果陈仓县很快失守，败军被迫向东败退。
攻破陈仓后，刘邦率军向东迅速挺进，兵锋直指章邯的都城废丘。
章邯得知消息，急令弟弟章平率军驻守废丘以北的好畤，与废丘互为犄角，同时派人向塞王司马欣和翟王董翳求援。
刘邦一路东进，先后攻破雍县、斄县，在攻破废丘以西的斄县后，探明章邯布置的刘邦，留少量兵力驻守斄县，牵制废丘守军，自己则亲率军队北上攻打好畤，并在好畤城外大败章平，章平被迫退入好畤城坚守。
就在刘邦准备进攻好畤，彻底消灭章平之际，突然接到废丘守军向西进兵的消息。
原来，就在刘邦北上击败章平之际，塞王司马欣和翟王董翳的援军也抵达了废丘，章邯在接到章平兵败的消息后，便立即出兵东准备攻打斄县，意图在攻克斄县刘邦的守军后，再从废丘和斄县两面出兵北上，配合章平的守军夹击刘邦。
得知消息的刘邦也顾不上攻打好畤了，连忙率军南下迎击三秦军队，并在斄县县城以东的壤乡、高栎邑（今陕西武功）一带与三秦联军展开激战，成功将其击溃。
击败三秦联军后，刘邦兵分两路，命令曹参率军追击三秦败军，自己则再度率兵北上攻打好畤。
得知三秦联军已败，刘邦再度率兵北上的章平，自知难以抵御，率兵突围而走。与此同时，曹参也再度击败三秦联军，军队直抵废丘外围。
三秦联军溃败之后，章邯已无力再与刘邦野战，只好将所有军队调回废丘坚守。
针对这一局面，刘邦命令曹参率军围困废丘城，围而不打，并令斄县守军增援曹参。而刘邦自己则率领军队继续向东攻打咸阳，剪除废丘外围军队，防止有人增援章邯。
刘邦东进后，先于咸阳以北击败了赵贲和内侍保的军队，进而攻占咸阳，并将咸阳改名为新城。
之后，刘邦在调派主力围攻废丘的同时，又派周勃、灌婴、郦商、靳歙等分别率兵攻掠各地，其中周勃向西北进军，于漆县（今陕西彬县）击败章平、姚卬率领的军队后，又向西攻破汧县（今陕西陇县），后回军攻破郿县（今陕西眉县）等地，在基本平定章邯的封地后，返回废丘短暂休整。不久，周勃又奉命西攻陇西郡，在先后攻破西县（今甘肃礼县）、上邽县（今甘肃清水县），击败章邯部将盗巴后率军返回，奉命驻守峣关。
灌婴则继续向东进军，攻打塞王司马欣的都城栎阳，司马欣在前线接连战败的情况下，迫于形势投降刘邦，灌婴于是回军参与围攻废丘。
此外，郦商奉命平定北地郡和上郡，其先在北地郡南部的栒邑（今陕西旬邑）击败章邯部将焉氏和周类，之后率军进入北地郡，又于泥阳县（今甘肃宁县）击败章邯部将苏驵；靳歙则一路追击章平进入陇西郡，再度大败章平，章平又逃入北地郡，后被汉军所俘，而靳歙则先后平定陇西六县。
由于刘邦在关中的群众基础，各路汉军在关中百姓的支持下，一路攻无不克，项羽所分封的关中三王，除了章邯仍在死守废丘之外，塞王司马欣和翟王董翳于同年八月先后投降刘邦，刘邦仅用数月，便基本收复了三秦地区。
收复三秦之后，刘邦除了继续派兵围困废丘之外，重新恢复了当年入关时的一系列政策，使得关中百信迅速归附，同时征调萧何进入关中署理政务，巩固自己对关中的统治。
在关中初步稳定后，刘邦趁着王陵驻兵南阳郡的机会，又派薛欧、王吸率兵出武关，与王陵一同前往故乡沛县接父亲和妻子儿女，以及王陵的母亲等亲属入关。
项羽得知消息后，立即出兵陈郡阳夏，防止汉军进入西楚境内，薛欧、王吸等人因为楚军的阻挡，未能接到刘太公、吕雉等人，只得率军返回南阳。
项羽在齐地、赵地、关中先后叛乱的情况下，仔细权衡之后，认为还是刘邦对自己的威胁最大，于是征调兵马，准备西进关中，先行击败刘邦，平定关中叛乱。
为了确保取胜，项羽又派人向九江王英布征调兵马。英布虽然是以项羽部将的身份封王，但面对好不容易获得的权力和地位，却也不愿再领兵出战以身犯险，尤其是有楚王熊心和韩王韩广这两个前车之鉴，英布更担心会被项羽借机扣留，于是以身患疾病为由，只是派麾下将领带了几千人前去应征。
项羽见英布竟然敢违抗自己的命令，一怒之下便要引兵南下，幸好范增等人出言劝阻，考虑到齐地、赵地、关中的叛乱，项羽这才压下怒火，决定先行平定叛乱，待到叛乱平定再来惩治英布。
就在项羽整军备战之际，得知消息的张良连忙写信给项羽，说道，“汉王当初烧毁栈道，就说明他已经无心出蜀。当初义帝熊心与众将约定‘先入关中者王之’，如今汉王兼并关中，也只是为了夺回自己的应得之地，想成为名副其实的关中王罢了，应该不会继续贸然向东扩张的，这点请项王您放心。”同时，张良还将齐地田荣和赵地陈馀号召天下诸侯王反楚的信件一同寄给项羽，说道，“齐国欲和赵国联兵灭楚，对于项王来说，这才是真正的灭顶之灾啊，大王您不可不防”。
看罢张良来信，原本已经决心西征的项羽又陷入了犹豫。毕竟，齐地和赵地与西楚接壤，如果齐地叛军和赵地叛军联手，将可以直接威胁西楚，对自己的威胁的确更大。至于刘邦，在项羽看来，即便他杀回了关中，想要彻底平定三秦，恐怕也不是短期内能够做到的。
就在项羽还在犹豫该向哪个方向出兵之时，齐王田荣竟然率先动手了。
同年秋，田荣派人任命在梁地活动的彭越为将军，并赐予将军印信，然后让其率兵进军济阴攻打楚军。彭越此时已经发展到了一万多人，他自认在反秦战争中功劳也不小，对于项羽分封漏掉自己早已不满，于是接受了田荣的任命，立即率军出征。
田荣的动作无疑成为了天平倾斜的砝码，项羽最终放弃了西征，派萧公角率军迎击彭越，自己则率领大军北上攻打田荣。
不过，为了防止刘邦兼并关中后东出，项羽出征前还是下令将留在彭城的韩王韩成废为侯，不久又将其杀死，改立早年与项梁交好、曾任秦朝吴县县令的郑昌为韩王，命其驻守颍川郡一带。
如此，函谷关外有河南王申阳，武关之外有韩王郑昌，在项羽看来，如此布置便可将刘邦堵在关中，使其不能轻易东出，自己便暂且不用担心来自西部的威胁，可以放心平定齐地叛乱了。
韩成被杀后，张良重建韩国的希望彻底破灭，遂于同年冬逃出彭城，一路躲过楚军的追查，再度回到了刘邦身边，决心就此辅佐刘邦。刘邦对于张良的返回同样极为高兴，册封其为成信侯。
项羽攻入齐地后，田荣率军于城阳（今山东菏泽）与项羽交战，结果被项羽一击而溃，田荣兵败逃至济北郡西部的平原县（今山东平原），结果被平原百姓杀死。项羽得知田荣已死，便立在楚国躲了两年的田假为齐王，而自己则率军东进至北海一带。
项羽本就因田荣当年不出兵，导致叔父项梁战死定陶而对其多有怨恨，再加上为了惩治齐地叛乱，项羽因此痛下杀手，在齐地一路焚烧和铲平城郭、房屋，活埋齐国降兵，抢掠财物妇女，所过之处尸横遍野、惨不忍睹。
与此同时，田荣的弟弟田横在兵败逃亡后，又招募齐国散兵，迅速聚集了数万军队，并在击败项羽所立的齐王田假后，改立田荣之子田广为齐王，于东郡城阳再度竖起反楚大旗，号召齐地百姓起来反抗项羽。
由于项羽一路征伐手段太过残忍，激起了齐地百姓的仇恨心理，一时间齐地百姓纷纷拿起武器对抗楚军，项羽就此陷入了齐地人民战争的汪洋大海之中。
同年十月，九江王英布派去追杀义帝熊心的人，一路追到郴县，将义帝熊心弑杀于郴城穷泉旁。