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在经历了那一件事情之后刘邦率领汉国精兵起兵反楚，项羽则因为不想这么早跟刘邦打出兵，于是带兵支援齐地，刘邦就趁项羽去往齐地之机，袭占关中。

同年四月，齐、楚军胶着于城，楚都彭城空虚。刘邦即以项羽杀害楚怀王为口实，在洛阳聚集各路诸侯联军三十万，分路进攻彭城。

汉将曹参、灌婴、周勃等率军从围津渡过黄河，攻占煮枣，击败楚大将龙且、项佗于定陶，兵抵胡陵，从西北面抄袭彭城；将军薛欧、王吸、王陵率军由经叶县出阳夏，从南面攻楚；刘邦率夏侯婴、卢绾及各路诸侯军经曲遇，向东南攻占外黄时，彭越率3万人马归附。

为掩护联军侧后，刘邦拜彭越为魏相，令其攻占梁地。此后，刘邦军由西向东连克砀，萧，顺利攻占彭城。

项羽闻讯，觉得这刘邦已经铁了心要跟自己对到底也就不想留情，留部将继续攻齐，自率精兵3万由鲁迅速南下，出胡陵占领萧县，切断联军退路，随后，由西向东反攻。

楚军乘刘邦纵情享乐，疏于防范之机，晨时开始进攻，中午即大破联军，将刘邦所部挤压于谷水、泅水之地。联军自相践踏，被楚军斩杀10余万人，余部向西南山地溃退。

楚军追至灵壁的睢水再歼联军10余万汉军逼入睢水，并围困刘邦，意图生擒。值大风骤起，飞沙走石，刘邦率数十骑乘机逃走。此战，刘邦遭到严重挫折，诸侯纷纷背汉向楚。

刘邦进军关中，定三秦时，项羽正率主力攻齐，知悉关中的情况后，项羽在回师击汉还是继续攻齐问题上举棋不定。就在项羽犹豫不决时，刘邦让张良致信项羽，表示：汉王失职，欲得关中，如约即止，不敢东。以麻痹项羽，并将田荣、彭越反楚书信送给项羽，声称：齐俗与赵并灭楚。项羽果然上当，不再疑虑刘邦，继续全力攻齐，仅命郑昌为韩王，领少量兵力防备刘邦东进。

八月，楚军在城阳大破齐军，田荣败退到平原，被当地人杀死。项羽另立田假为齐王，继续进军北海。楚军沿途烧夷齐城廓室屋，皆坑田荣降卒，系虏其老弱妇女。徇齐至北海，多所残灭。齐民相聚而叛之。

九月，田荣弟田横收编数万残兵，立田荣子田广为王，占据城阳一带，在齐地百姓的支持下，与楚对抗。楚军接连失利，陷入困境。

此时，刘邦已夺取了三秦绝大部分地区。十月，刘邦率军由函谷关出陕县东进，河南王申阳投降，继而又迫降韩王郑昌。三月，刘邦将关中军务全部交给张良，自领大军由临晋东渡黄河，魏王豹未作抵抗即归附刘邦，并协同汉军攻下河内地区，殷王司马卬也归降刘邦。

接着，刘邦又南渡黄河，到达洛阳新城，在这里，他接受了董公的建议，为义帝发丧，号召诸侯共击项羽，为义帝报仇。四月，刘邦率5个诸侯的联军共56万人，直扑彭城。在外黄，彭越率3万人归汉，刘邦命他略定梁地。

联军沿途未经战斗，乘虚占领了彭城。刘邦入彭城，满足于已得胜利，尽收项羽宫中货宝美妇，整日饮酒高会，疏于戒备。

项羽闻彭城失陷，大惊，命诸将继续攻齐，自率3万精锐骑兵急驰还救彭城。楚军由鲁南出胡陵，进至萧，首先击溃汉军一部。