项羽迅速攻下梁地十余城，得知成皋再度易手，急率主力西进，解荣阳之围，然后屯军广武，与汉相持。十一月，闻楚齐联军覆灭于潍水，乃使说客至齐，游说韩信反汉联楚，三分天下，遭拒绝。八月，项羽得知隶属于韩信的灌婴率部南下，驰骋于彭城附近，虑及己方少食寡助，士卒饥疲，乃与汉盟约：以鸿沟为界，中分天下，东属楚，西属汉。九月，项羽将彭城之战中掳获的刘邦妻、父送还，引兵东归。

汉二年（前205年）五月，刘邦退到荥阳一线收集残部。这时，刘邦的部下萧何在关中征售到大批兵员补充前线，韩信也带部队赶来与刘邦会合。汉军得到休整补充后，实力复振，拜灌婴为中大夫，统率骑兵，在荥阳以东大败乘胜追击的楚军，将楚军成功地遏阻于荥阳以东地区，暂时稳定了战局，并派随何说降九江王英布。荥阳及其西面的成皋，南屏嵩山，北临河水（黄河），汜水纵流其间，为洛阳的门户，入函谷关（今河南灵宝东北）的咽喉，战略地位十分重要。自次年四月起，汉、楚两军为争夺该地展开了一场旷日持久的战争。 

汉二年六月， 刘邦派郦食其劝说魏王魏豹降汉，遭到魏豹的拒绝，八月，派曹参与韩信攻打魏国，俘获了魏王魏豹。后九月，汉军平定代国，斩杀了代相国夏说。汉三年十月，刘邦派原常山王张耳收复赵国故地，韩信与张耳一同前往，陈兵井陉，把赵国的主力引向赵国北部，刘邦趁赵国南部空虚，离开荥阳，北渡黄河，攻克河内，从南面进攻赵国，接着攻克了朝歌（今淇县）、安阳（今安阳南）、邯郸（今属河北），当邯郸失陷，在井陉与汉军对峙的赵军主力进退两难，张耳与韩信在井陉大败赵军，赵将戚将军逃跑至邬县（今山西省介休县），被曹参斩杀。赵王歇逃到襄国，张耳与韩信追击，刘邦亦从邯郸北上攻打襄国，汉军南北夹击，攻破襄国，杀掉了赵王歇。项羽遣骑兵渡河争夺赵地，被汉军击退。 

汉三年十二月，韩信与张耳留下在赵国继续作战，刘邦返回荥阳。此前英布被随何策反，项羽派龙且攻打英布，英布战败，与随何回到了荥阳。刘邦召见英布，英布起初不高兴，后来见刘邦安排的好，英布又高兴起来，使人返九江收兵，使者人缘不错，收拢数千人归汉，刘邦也分兵给了英布，然后一路到成皋。 

刘邦据守荥阳，取敖仓之食，与项羽对峙，双方进入相持状态。项羽多次派兵切断汉军的粮道，汉军粮草供应不上，刘邦遣使与项羽求和，愿割让荥阳以东给予楚国，项羽不同意。刘邦采用陈平之计，遣奸细散布流言，离间项羽君臣之间的关系，范增遭到项羽的猜忌，愤而离去。 

为了打破荥阳对峙的僵局，刘邦派靳歙与灌婴攻打楚军的粮道。 靳歙切断了楚军从荥阳至襄邑的粮道，灌婴切断了楚军阳武至襄邑的粮道，命令靳歙与灌婴离开荥阳，越过梁地，与彭越联合，攻打楚国后方的鲁县（今山东曲阜），鲁县与齐国交界，又与彭越毗邻，是楚国的北部门户，战略意义重大。 

由于调走了灌婴与靳歙两支汉军精锐，刘邦在荥阳与项羽艰难对峙。汉三年六月，韩信与张耳已平定赵国的反抗余波，南下至河内修武，接应刘邦。汉三年七月，刘邦令御史大夫周苛、枞公、魏豹等人守荥阳，离开荥阳北渡黄河，来到修武，命令张耳镇守赵国，拜韩信为相国，并调集原属韩信与张耳的军队，打算回到荥阳支援前线作战。此时项羽以荥阳发起猛烈进攻，周苛等人不能抵挡，项羽攻破荥阳，杀了御史大夫周苛，并俘虏了韩王信。刘邦欲回到荥阳与项羽交战，郑忠劝谏刘邦，避开项羽的锋芒，驻扎在河内小修武，不与项羽交战，刘邦采纳。 

此时，灌婴与靳歙在鲁县打败了项冠， 得知荥阳已失，靳歙南下攻打楚国腹地以牵制项羽，灌婴率骑兵返回前线增援，在燕县（今河南延津东北）打败楚将王武，又在白马津打败楚将桓婴，过白马津渡黄河，到达河内与刘邦会合，护送汉王刘邦南渡黄河回到洛阳，此时项羽又拿下了汉军放弃的成皋，到达洛阳附近的巩县，双方在巩县交战，楚军大败，不能继续西进。 

刘邦在巩县遏制了楚军的攻势后，乘胜追击，意图夺回成皋，楚军坚持皋险要，汉军攻之不下，刘邦打算放弃进攻成皋，退守巩县与洛阳。谋士郦食其劝阻刘邦，不要退却，并向刘邦说明敖仓的重要性，放弃成皋与荥阳就意味着放弃敖仓。此时楚军后方受到靳歙的牵制，不能全力攻打敖仓，劝刘邦务必加紧进攻成皋，收复荥阳，并坚守敖仓。并自请出使齐，劝说齐王田广降汉。