汉王四年十月，因为司马曹咎违背了项羽的嘱托，对汉军进行多次挑衅，并多次与汉军在汜水进行交战，在渡水的半路受到了早就埋伏好的汉军的攻击。汉军因此大胜并缴获了丰富的金银财宝以及很多的军事物资，曹咎和长史司马欣在汜水这块伤心地结束了自己的性命。得知曹咎兵败之后，项羽率领大军急忙赶回。这时候汉军正在荥阳东对钟离昧进行围攻，当项羽率领大军达到的时候，因为对楚军还是有所畏惧，汉军就全部转移到了险要地带。
项羽闻知龙且所率军队被击溃，派武涉劝说韩信叛汉，韩信不听。项羽驻军于广武，与汉军相持数月，楚军缺少粮食，项羽以此为忧患。于是，项羽设置砧板，将汉王的父亲太公置于板上，警告汉王说：“今日不快快降服，我煮死太公！”
汉王回答说：“我与你项羽一同北面受命于怀王，约结为兄弟，我的父亲就是你的父亲，你一定要烹杀你的父亲，请分给我一杯肉汤。”
项王大怒，想要杀太公。项伯劝阻说：“天下大事，谁胜谁负尚未可知，况且为着夺取天下的人，都不顾恋家人，即或是杀了太公也不会带来什么好处，只能是增加祸害而已！”项王听取了项伯的意见，没有杀害太公。
项王对汉王说：“天下扰乱已有数年之久，只是因为我们两个人而已，愿与汉王挑战，决一雌雄，不要使天下百姓白白为此而受苦了！”
汉王笑着回答说：“我宁愿斗智，不能斗力。”
项王再三令壮士出营挑战，都被汉军中的著名射手楼烦射杀。项王为此而大怒，亲自披带盔甲，持戟出营挑战，楼烦想要射杀项羽，项羽瞪圆双眼，怒叱楼烦，楼烦在项羽神威的逼迫之下，目不敢正视，手不敢发箭，吓得退回营垒，不敢再出面射箭。汉王派人打听楚军出阵者是何人，得知此人便是项王，大为惊恐。
项王约汉王在广武两军壁垒之间隔阵对话，项王再次想要与汉王独身挑战，汉王历数项羽的罪恶：
“你项羽违背规约，封我为蜀汉王，这是罪一；你项羽假冒怀王命令，杀害卿子冠军宋义，自尊为上将军，这是罪二；你项羽奉命救赵后，理应回报怀王，但却擅自劫持诸侯军队八关，这是罪三：怀王约定入关后不许烧杀掠夺，你项羽却焚烧秦宫室，发掘始皇帝冢，私自盗取其中财物，这是罪四；你项羽无理地杀死已经投降的秦王子婴，这是罪五；你项羽于新安用欺骗手段活埋20万秦兵。封秦军降将为王，这是罪六；你项羽把好的土地封给诸侯王手下的将领，迁徙驱逐原来的诸侯王，使得他们的臣下争相反叛，这是罪七：你项羽把义帝从彭城赶出，自己却建都于此，又侵夺韩王的封地。兼并魏、楚的土地，扩大自己的地盘，这是罪八：你项羽派人杀义帝于江南，这是罪九；你项羽身为人臣而谋杀君主，杀害已经归降的人。执政不公，信约不守，大逆不道，实为天下所不容，这是罪十。我率领正义的军队跟诸侯一道讨伐你这个残暴的贼子，只需使用受过刑罚的囚犯打死你这个项羽就行了，老子何苦跟你挑战！”
项羽听汉王声讨他的罪状，大怒，用暗箭射中汉王的胸部。为安定军心，汉王机智按着脚说道：“这个贼子射中了我的脚趾头！”汉王受伤后，张良请他忍着伤痛去巡视军营，慰劳士兵，稳定军心，不使楚军乘机取胜。汉王带伤巡视兵营，使伤势加重，因而急驰进入成皋城内。
汉王病愈，西入关中，到达都城栎阳，慰问父老，仅停留4日，又启程回到前线，驻军于广武。这时，关中增援的士兵，不断地出关开赴前线。
七月，立黥布为淮南王。
汉王下令：军士有不幸而死的，官吏要以衣衾棺木盛敛，转送回家，因此四方百姓归心于汉王。
当时，彭越率领军队在魏地往来游击，骚扰楚军，断绝楚军的粮食供应。田横也前来依附彭越。项羽不得不经常对付彭越的袭击，齐王韩信又前来进攻楚军，项羽因此而恐惧。汉派侯公向项羽说，请归还太公。项羽便与汉王谈判约定，以鸿沟中分天下：鸿沟以西归汉，鸿沟以东归楚。九月，楚归还汉王的父亲太公和汉王的妻子吕雉，汉军军中高呼万岁。楚军撤兵东归。楚军解围东归，汉王也想按和约西归。这时，张良、陈平出面向汉王劝谏说：“汉已经占有天下的大半，而且诸侯又都相继归附；楚军士兵疲惫，军粮已尽，这正是上天灭亡楚国的时机。如今放任他们东归，不予攻击，这可是人们所说的‘养虎自遗患’啊。”
在楚汉相争的转折点，是张良、陈平对局势的正确分析，使汉王没有错过这个转弱为强、由相持转入反攻的良机。有利形势的发展之快，由于决策上的正确，远远超出了汉王乃至于张良、陈平的预料。
汉王采纳了张良和陈平的这一英明决策。
汉王四年九月，项羽与刘邦订立和约，以鸿沟为界，“中分天下”，项羽解除荥阳之围，率领大军东归。
汉王五年（公元202年）十月，南太康县）南面时，汉军驻扎下来。韩信、建成侯彭越各自率大军前来，军发起围攻。汉王率大军追赶项王，到达阳夏（今河为对楚军形成围攻的形势，汉王令齐王约定日期在楚地会合，组成联军。
自楚汉战争以来，汉军除刘邦所直接统率的部队外，由韩信所直接统率的部队，破魏、破赵、破代、破齐，刘邦不止一次地抽调或剥夺韩信部下的精兵到荥阳前线与楚军作战，在楚汉战争中确实发挥了独挡一面的重要作用。彭越自归属刘邦之后，在魏地（今河南）独立作战，游击楚军，经常截断楚军向荥阳运送粮食的粮道，在楚汉战争中也发挥了独挡一面的特殊作用。韩信和彭越所直接统率的两支部队，兵员众多，训练有素，战斗力很强，在楚汉战争中曾多次大败楚军，为汉王做出了重大的贡献。就战斗力而言，刘邦所直接统率的部队是比不上韩信、彭越所统率的两支劲旅的。可以说，没有韩信和彭越两支部队参与对楚军作战，汉王能否在楚汉战争中渡过难关，坚持下来并转弱为强，是难以想象的。显然，当项羽引兵东归、刘邦率大军追击项羽之时，不借助于韩信、彭越的力量，也是难以取胜的。
汉王与韩信、彭越约定的会合地点是国陵（今河南太康县南）。当汉王统率大军到达固陵时，韩信和彭越却按兵不动，没有派大军如期前往固陵。在这种情况下，项羽回师发起攻击，大败汉军，汉王退入壁垒，深挖沟，高筑垒，对楚军采取守势。固陵战败的事实再次表明：没有韩、彭部队的参战，刘邦只是凭自己所直接统率的部队与项羽直接统率的部队作战，是敌不过项羽的。
在不利的形势下，汉王一筹莫展地对张良说：“诸侯的军队不听从我的调遣，这该怎么办才好？”
张良回答说：“楚军兵疲粮尽，眼看就要败亡，而韩信、彭越却没有得到分封的土地。韩信虽被立为齐王，但没有明确为他划归所辖封地的疆界，他们的军队不按期到来是很自然的。君王如果能与他们共同分享天下，现在可以立即把他们招来；如果不能，事情的成败就难以预料了。君王如果能把陈县以东直到海滨的地区全部划归齐王韩信；把睢阳以北至谷城的地区全部划归建成侯彭越，使韩、彭二人为着自身的利益‘各自为战’，这样楚军是很容易被打败的。”
张良的这个计谋让刘邦十分欣赏，不由连连叫好。对张良称赞一番之后，马上派遣使者通知韩信、彭越说：“现在我们要合力对楚军进行攻打，等到把楚军消灭之后，就将从陈县以东到海滨的土地分封给齐王，睢阳以北直到谷城的土地分封给彭相国。”
当使者把这个消息告诉韩信与、彭越之后，二人自然十分高兴，于是分别让使者回复汉王说马上就出兵对付楚军。