汉高帝二年(前205年)五月，汉高祖退到荥阳一线收集残部。这时，汉高祖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汉高祖会合。汉高祖的汉军得到休整补充后，实力复振，将楚军成功地遏阻于荥阳以东地区，暂时稳定了战局。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。自五月起，汉、楚两军为争夺该地展开了一场旷日持久的战争。
交战初，汉高祖即按照张良制定的谋略，实施正面坚持、敌后袭扰和翼侧牵制的作战部署，以政治配合军事，以进攻辅助防御，游说英布倒戈，从南面牵制项羽;派遣韩信破魏，保障翼侧安全;联络彭越，袭扰项羽后方，从而有力地迟滞了项羽的进攻。同时汉高祖让萧何治理关中、巴蜀，巩固后方战略基地，转运粮食兵员，支援前线作战;还采纳陈平的计谋，派遣间谍进行活动，分化瓦解楚军。
汉高祖的这些措施虽然起到了牵制楚军、巩固后方的积极作用，但是正面战场的形势依然不怎么乐观。项羽看到汉高祖的势力有增无减，十分不安，便于次年春调动楚军主力加紧进攻荥阳、成皋，并多次派兵切断汉军的粮道，使汉高祖的部队在补给上发生很大的困难。五月间，项羽大军进逼荥阳，汉高祖内乏继粮，外无援兵，情势日趋危急。汉高祖采纳张良的缓兵之计，派出使臣向项羽求和，表示愿以荥阳为界，以西属汉，以东归楚，但遭到项羽的断然拒绝。汉高祖无奈，只得采纳将军纪信的计策，由纪信假扮作汉高祖，驱车簇拥出荥阳东门，诈言城中食尽，汉王出降，蒙骗项羽，而自己则乘机从荥阳西门逃奔成皋。项羽发现自己受骗上当后勃然大怒，烧死纪信，率兵追击汉高祖，很快攻下了成皋，汉高祖仓皇逃回关中。
汉高祖从关中征集到一批兵员，打算再夺成皋。谋士辕生认为这不是善策，建议汉高祖派兵出武关(今陕西商南东南)，调动楚军南下，减轻汉荥阳守军的压力;同时，让韩信加紧经营北方战场，迫使楚军分散兵力。汉高祖欣然采纳这一计策，率军经武关出宛(今河南南阳)、叶(今河南叶县)之间，与英布配合展开攻势;与此同时，韩信也率部由赵地南下，直抵黄河北岸，与汉高祖及荥阳汉军互相策应。汉军的行动果然调动了项羽的南下。这时汉高祖却又转攻为守，避免同楚军进行决战，而让彭越加强对楚后方的袭击，彭越不失所望，进展迅速，攻占了要地下邳(今江苏睢宁西北)，直接给楚都彭城造成威胁。项羽首尾不能兼顾，被迫回师东击彭越，汉高祖乘机收复了成皋。
六月，项羽击退彭越后，立即回师西进，对汉高祖发动第二次攻势，攻占荥阳，再夺成皋。并继续西进，抵达今河南巩县一带。汉高祖仓猝北渡黄河，逃到小修武(今河南获嘉东)，在那里汉高祖征调到韩信的大部分部队，以支撑危局，增强正面的防御。汉高祖深知项羽的厉害，这时便命汉军一部拒守于巩(今河南巩县西南)，一部屯驻小修武，深沟高垒，不与楚军交锋。同时派韩信组建新军东向击齐，继续开辟北方战场。
又命刘贾率领2万人马从白马津(今河南滑县北，旧黄河渡口)渡河，深入楚地，协助彭越，扰乱楚军后方，截断楚军粮道。彭越得到刘贾这支生力军的支援，很快攻占了睢阳(今河南商丘南)、外黄(今河南杞县东北)等17座城池。彭越、韩信的军事行动，给项羽侧背造成严重的威胁，迫使项羽在九月间停止正面战场的攻势，再次回师攻打彭越。项羽临行前，告诫成皋守将曹咎说：小心坚守成皋，即使汉军挑战，也千万不要出击，只要能阻止汉军东进，我15天内一定击败彭越，然后再与将军会师。项羽很快收复了17座城池，但没有能够消灭彭越的游军，它继续在威胁楚的后方。
汉高帝四年(公元前203年)十月，汉高祖听取谋士郦食其的建议，乘项羽东去之机，反攻成皋。守将曹咎开始还遵照项羽的告诫，坚守不出，但是经不起汉军连日的辱骂和挑战，一怒之下，率军出击。汉高祖见激将法奏效，便运用半渡击之的战法，大破曹咎所部楚军于汜水之上，曹咎兵败自杀，汉军乘机再夺成皋，并乘胜推进到广武(今荥阳东北)一线，收敖仓积粟以充军用，并在荥阳以东包围了楚将钟离昧部。
项羽听到成皋失守，大惊失色，急忙由睢阳带领主力返回，同汉军争夺成皋，与汉军对峙于广武，欲与汉高祖决一雌雄。可是汉军依据险要地形，坚守不战。双方对峙数月，项羽无计可施。这时适逢韩信攻占临淄，齐地战事吃紧，项羽不得已只好派龙且带兵20万前往救齐，这就更加减弱了正面战场的进攻力量。到了十一月，韩信在潍水全歼了龙且的部队，平定齐国，使项羽的处境更趋困难。几个月后，楚军粮食缺乏，既不能进，又不能退，白白地消耗了力量，完全陷入了被动。
这时，汉军韩信部已经破魏，破赵，降燕，平定三齐，占领了楚的东方和北方的大部地区，完成了对楚的战略包围。彭越的游军则不断扰乱楚军后方，攻占了昌邑(今山东金乡西)等20多座城池，并多次截断楚军的补给线。英布所部在淮南也有所发展。项羽腹背受敌，丧失了主动，陷于一筹莫展的境地。双方强弱形势已发生根本的变化。项羽见大势尽去，遂被迫与汉高祖议和，以鸿沟为界，中分天下，尔后引兵东归。成皋之战以汉胜楚败而告终。