刘邦非常赞同郦食其建议，让他出使齐国，同时派遣灌婴往邯郸调回一部分韩信镇守赵地之军回到前线，坚守敖仓，并以灌婴接任周苛的御史大夫之职。

郦食其不辱使命，以三寸之舌成功劝说齐王归降。齐王同意归降于汉，撤去历城的守军，示无反意，并与郦食其纵酒庆祝。

靳歙在鲁县打败项冠后，攻打楚国的腹地，此时攻克了缯县（今属山东苍山县）、郯县、下邳、蕲县、竹邑，几乎包围彭城。如果不出意外，平定了楚国后方的靳歙再从东面进攻，加上彭越的配合，攻打项羽的背后，据守荥阳与成皋的项羽必将被汉军包抄，夺回荥阳与成皋指日可待。但此时发生了一件令刘邦意想不到的事：韩信从灌婴口中得知刘邦已失荥阳与成皋，洛阳危急，于是擅自攻打齐国撤去防守的历城，齐王大怒，以为是郦食其出卖了他，将郦食其烹杀，急忙派齐军再次防守历城，韩信不能攻下。 

韩信攻打齐国，齐国叛汉，刘邦被迫抽调汉军主力以武力平定齐国，派灌婴、曹参、傅宽、柴武等汉将赴齐助韩信攻打齐国。这样一来，失去荥阳与成皋的不利局面雪上加霜，攻打楚国后方的靳歙也不得不放弃进攻，回到巩县抵挡项羽。齐王不得已向宿敌楚国求援，项羽为了壮大自己考虑，也派龙且率20万楚军支援齐国。

项羽占据成皋天险，与汉军在巩县对峙，如果汉军再失巩县，洛阳也将不保。所幸敖仓还在汉军的掌控下，刘邦派人坚守巩县的同时，命令周勃、程黑、郭蒙等坚守敖仓，刘邦自己则驻军河内小修武（今属河南焦作），指挥全局，依黄河北岸驻守，封锁黄河渡口，以阻止楚军攻入河内平原，为了重新取得战略上的优势，汉军必须夺回成皋。但汉军的主力都用于攻打齐国了，兵力不够，为了补充兵源，调集一切可以团结的力量，刘邦派使者发往燕国，请求援助，燕王臧荼派温疥与昭涉掉尾率燕军助汉。彭越在梁地，可以对项羽的后方发起进攻，牵制项羽，使项羽不能首尾相顾。刘邦又命令刘贾与卢绾率领二万人渡过白马津，与活跃于楚军后方的彭越军配合，烧掉楚军的粮草。在燕县以西打败楚军，攻占睢阳(今河南商丘西南)等17座城池，项羽亲自攻打彭越与刘贾，留大司马曹咎守成皋，临行前嘱部将曹咎谨守成皋，遇汉军挑战，切勿应战，只须阻止其东进即可。汉四年冬十月，刘邦乘项羽东去兵力薄弱之机，反攻成皋。初时，成皋楚军坚守不战。刘邦数次遣人到阵前辱骂，终于激怒曹咎，率部出击。汉军乘楚军半渡汜水之时，全力反击，斩杀了曹咎，再次夺回成皋，并俘虏了前塞王司马欣与翟王董翳。乘胜进至广武(今河南荥阳东北)，并包围楚将钟离昧于荥阳以东。项羽急忙从睢阳回救，汉军鉴于兵力不足，暂时无力彻底消灭楚军，于是见好就收，据险坚守。（注：汜水在成皋以东，汉军从西边进攻成皋，必是先破成皋，后渡汜水，《项羽本纪》的记载可能有误。） 

汉四年，汉军据守成皋与广武，取食于敖仓，与楚军再次形成对峙。此时灌婴、曹参等赶赴齐国助韩信攻破了历城、临淄，齐王田广逃到高密。项羽所派增援齐国的号二十万楚军也被汉军消灭，楚将龙且被汉军阵斩，齐国全境也被汉军平定。汉四年二月，韩信自立为齐王。项羽派武涉游说韩信，劝他反汉为楚，韩信装作拒绝。

英布派人进入九江，收复了几个县，这个时候，彭越又攻打楚军的粮道，楚军粮草不继，项羽往来奔波，劳苦不堪，士卒疲惫。孤立无援的项羽实在没有别的办法，在他手中唯一的一张牌就是刘邦的父亲与妻之还在楚营作人质，但项羽用刘邦的老爹要挟刘邦也没能使之就范。项羽来到广武，遥望刘邦对他说：“天下的战乱停不下来，都是因为你我两个人，我愿意与汉王你身决雌雄，不要苦了天下的父老百姓”。刘邦淡淡一笑道：“我宁愿和你斗智，不能和你斗力。”并向项羽宣布他的十条罪状。项羽恼怒之下，用暗箭偷偷射向刘邦，正中刘邦胸部，刘邦受伤，回到成皋养病。 

项羽终究无力挽回楚国的颓势，战争的优势已完全向汉方倾斜。刘邦病好后，他终于可以放松一下了，命令樊哙守广武，周勃守敖仓，带上在汜水之战俘虏的前塞王司马欣，回到关中，将司马欣在他的原都城栎阳枭首，置酒慰问关中父老，四日后，带领关中兵又回到广武。

此时，汉御史大夫灌婴在平定齐国后，南下攻打楚国，扫荡淮河南北，灌婴又渡过淮河，攻取广陵。项羽急忙派项声、薛公回击，收复淮北大地，灌婴北渡淮河，在下邳打败项声，将薛公斩首。又平定了淮北，在平阳（今山东邹县）打败楚军骑兵，并攻下楚国的都城彭城。项羽得知项声与薛公兵败，彭城已失，即将陷入绝境的项羽不得不同意“鸿沟协议”，送还刘邦的家人，离开荥阳，向南撤退。成皋之战以汉胜楚败而告终。