公元前208年，项梁、项羽率八千子弟兵渡江。渡江之后，东阳起义军首领陈婴率军2万人来归附；渡淮河后英布等首领也率所属起义军前来归附，项梁人马一时达六七万人，成为当时反秦起义军主力。
项梁大军一路顺风，连战连捷，进入山东薛城。这时，陈胜、吴广等起义军领袖牺牲的消息已被证实，项梁便召集各路起义军首领会议，决定拥立旧楚国怀王孙心为王，仍用楚怀王名号，以统一号令天下各路起义军。会议之后，项梁统帅大军先后在东阿、定陶等地多次击败秦军。接连不断的胜利使项梁产生了严重的骄傲轻敌情绪，放松了对秦军的警戒。秦将章邯利用项梁疏于戒备的缺点，在增援部队的支持下，夜袭起义军大营，起义军损失惨重，项梁战死。
项羽当时正在进攻陈留，闻听项梁死讯，8000子弟兵一时放声痛哭，项羽强忍悲痛，与刘邦等起义军首领立即退兵彭城，保卫楚怀王，伺机再起。
章邯击败项梁军后，认为楚军主力已被歼灭，项羽等人已不足为虑，便渡黄河北上，向赵国发起进攻，并汇合秦将王离、涉间等部队将赵王歇、大将陈余等人包围在巨鹿，形势危急，赵王歇派出使臣向楚怀王求救。
楚怀王任命宋义为上将军、项羽为次将，出兵救赵，同时派刘邦率军向西进攻秦国，并当众约定：谁先入关中，谁为关中王。公元前207年，宋义率军向赵国进发。行至河南安阳后，便按兵不动，停留长达46日。项羽对宋义说：“秦军将赵王歇包围在巨鹿，我们应迅速渡过漳河救赵，与赵军内外夹攻，必大破秦军。”宋义笑道：“披甲持刀，冲锋陷阵，我不及你。然而运筹帷幄、设计划谋，你不如我。此时秦军正倾全力攻赵，无论胜负，都将疲惫不堪，我们便可趁其疲惫，大破秦军。依我之计，不如先让秦赵两军拼死决战，待两败俱伤，我们坐收渔人之利。”说罢，宋义下令：全军上下将士，势如猛虎者、贪狠如狼者、倔强不服从军令者，一律斩首！这一命令显然是针对项羽的。
宋义为拉拢齐国，把自己的儿子派往齐国担任相国，亲自率兵护送到无盐，并在当地大摆筵席，遍请宾客。当时天气寒冷，滂沱大雨，连绵不断。士兵们都浸泡在雨水中，又饿又冷，怨声四起。
项羽对将士们说：“我们本应合力攻秦救赵，但上将军却按兵不动。现军中粮草已尽，大家都只能以豆菜充饥，可宋义却大会宾客、饮酒作乐，而不肯渡河打败秦军，从赵国取得粮草，不肯和赵国合力攻秦，却想坐收渔利。一旦赵国被攻破，秦军将更强，还有什么疲惫之机可乘？现在楚怀王将国内军队全数交给上将军一人独掌，不仅是为了救赵，也是为了灭秦，国家安危在此一举。但宋义却不顾及国家，不体恤士卒，而竟徇私情，派自己的儿子去齐国担任相国，这决不是能够安邦安国的臣子。”
次日清晨，项羽利用朝会宋义之机，进入大帐砍杀了宋义。随后在军中发布命令说：“宋义暗中与齐国勾结，阴谋反叛楚国，我奉楚怀王密令将其处死。”军中将领都惧怕项羽，无人敢提出异议，大家都说：“率先拥立楚怀王的是项将军一家，如今将军诛杀宋义这个乱臣贼子，有大功。”纷纷表示愿听从项羽指挥。
项羽杀死宋义的消息传到楚国，举国震惊，楚怀王接到报告后，便命项羽为上将军，统率全军救赵。
项羽接过指挥权后，立即出兵。他首先派大将英布等率两万人马先渡过漳河，直扑巨鹿。英布等人与秦军交战数日，双方互有胜负。项羽于是率领大军全部渡过漳河。渡河之后，项羽突然下令，将渡河船只全部凿沉，把做饭用的铁锅和瓦甑（音zèn）全部砸碎，把营舍全部焚毁，每人只准带3天的口粮，用以向士兵表示此战不胜即死亡的决心，全军将士明白已无退路，只有死战才可生还，个个精神大振，准备与秦军决一死战。
大战前夕，项羽与谋士范增商议进攻策略，认为巨鹿已被包围一年，城内粮草将尽，危在旦夕，应先解除巨鹿之围，然后集中兵力对付秦军主力章邯。随后，项羽率全军兵分三路杀向巨鹿，将围困巨鹿的秦将王离部队包围。楚军因无退路，只能死战，所以将帅士兵个个勇猛作战，无不以一当十，冲杀声惊天动地，以雷霆万钧的气势冲向秦军。秦军将人马分成9路，布成严密的战阵，拼力抵抗，但在楚军排山倒海般的凶猛攻势下，土崩瓦解，全线溃退。在3天中，楚军与秦军大战9次，击败秦军9路兵马，九战九捷，大破秦军于巨鹿之野，斩杀秦将苏角、生擒大将王离，秦将涉间进退无路，引火自焚而死，章邯所率秦军主力也被击溃。
当楚军与秦军大战时，前来援救巨鹿的齐、燕等诸侯国军队都不敢参战，他们躲在高高的壁垒上观战。楚军将士凶猛无比的战斗精神、惊心动魄的大厮杀场面、山崩海啸般的喊杀之声，诸侯国军队即使在壁上观望，也都惊骇万分，肝胆俱裂。
项羽大败秦军之后，在驻地召见各路诸侯将领。他们刚一进人营门，就都跪在地上，膝行前进，一个个战战兢兢，不敢抬头仰视项羽。项羽从此威震天下，作了诸侯上将军，所有诸侯军队都统归项羽麾下，他成为反秦斗争中叱咤风云的英雄的领袖。
巨鹿大战后，项羽乘胜追击，在污水上再次大破秦军。秦将章邯走投无路，于7月间率剩余秦军20余万人向项羽投降。项羽领导的反秦起义军主力获得了全歼秦军主力部队的重大胜利，从而为整个灭秦战争奠定了胜利的基础，为刘邦军顺利进攻关中，攻取秦都咸阳创造了有利条件。