章邯擊破項梁的軍隊後，就認為楚地敵人的兵力已不足為憂了，便渡過黃河北上攻打趙國，大破趙軍。秦軍攻進邯鄲後，將當地民眾遷往河內（今河南黃河以北），然後火燒邯鄲城。章邯命將軍王離、涉間圍攻巨鹿，章邯駐紮在巨鹿的南麵。這個時候，趙歇為趙王，張耳為相，陳餘為將，陳餘統率士卒數萬人駐紮在巨鹿城北。被圍在巨鹿的軍隊就是所謂的“河北之軍”。秦將王離仰仗著兵多糧足，攻城凶猛。陳餘的數萬軍隊既不能解巨鹿之圍，巨鹿城中的趙軍又糧盡兵少，隻依靠自己的力量恐怕難免要城破人亡。趙國危在旦夕之中，多次請求楚、燕、齊等國援救，各國也陸續派出援兵。
楚懷王部署兵分兩路：一路是任命宋義為上將軍，項羽做次將，範增做末將，北上援救趙國，之後再反擊關中；另外一路是由劉邦統帥，向西略地，收編項梁、陳勝餘部的散兵，伺機挺進入關中，牽製章邯秦軍，減緩對趙國的攻勢。
同時楚懷王還發表了著名的政治宣言，與諸將約定“先破秦入鹹陽者王之”，“入秦無暴掠”等，這也就是後來劉邦在楚漢戰爭中踐行的“懷王之約”。楚懷王部署戰略任務時，顯然是把優先的機會留給了劉邦。至於項羽，因他處於宋義所部次將的地位，因此關中王的封賞基本與他無關。
楚懷王以宋義為上將軍，號為卿子冠軍，項羽為次將，範增為末將，英布、蒲將軍等各路將領都隸屬於宋義，北上援救趙國。救趙的楚軍大隊人馬北上到達安陽後，停留四十六天而不前行，每日飲酒作樂。陳餘援軍以及齊燕等國的援趙軍隊都已先後趕到了巨鹿，卻懾於王離的威名和章邯的後援，沒有一個敢先出頭的，想等楚國援軍到來，一起行動。宋義卻很淡定，計劃著先讓趙軍與秦軍消耗著，等時機成熟再出兵。
項羽本來就對楚懷王奪權不滿，又急於與秦軍交戰，為叔父項梁報仇，對章邯的囂張氣焰極為蔑視。他見宋義在安陽按兵不動，拒不救趙，便假借懷王的命令在軍帳中一劍斬下了宋義的人頭，然後號令軍中將士歸順項羽。楚國本來就是項家扶持起來的，加上北上的部隊中多是項梁從江東帶出來的八千精兵子弟，英布、蒲將軍也站在項羽一邊，眾將領見上將軍宋義已被斬首，無不畏懼而服從，於是眾將領擁立項羽為代理上將軍，並派桓楚回彭城向楚懷王匯報。懷王低估了項羽的能力，隻好正式任命項羽為上將軍，北伐軍對交由他統帥。
項羽在關鍵時刻殺了上將軍宋義，名震楚國，楚軍士氣大為振作。項羽立即派英布、蒲將軍率兩萬士卒為先遣部隊，渡過黃河，援救巨鹿。取得了一些局部勝利，隨後項羽下令楚軍全部渡過黃河。渡河後項羽下令將全部船隻鑿沉，煮飯的鍋釜全部砸毀，焚燒營壘，每人隻攜帶三天的口糧，以此向將士們表示同秦軍決一死戰、有進無退的決心。這就是典故“破釜沉舟”的由來。楚軍將士人人鬥誌昂揚，項羽大軍急速前進到達巨鹿，包圍了秦將王離的部隊。與秦軍激戰九役大破秦軍，斷絕了秦軍送糧的甬道，斬殺秦將蘇角，活捉將軍王離。秦將涉間拒不降楚，自焚而死。巨鹿之戰以秦軍潰敗、楚軍大獲全勝而宣告結束。
項羽巨鹿之戰創下以少勝多的光輝戰例，此時才年僅二十六歲。巨鹿之戰秦軍被擊潰後，項羽召見各路諸侯的將領。他們進入項羽軍營的轅門後，“無不膝行而前”，不敢抬頭仰視。項羽被推舉為各路起義軍的上將軍，各路諸侯的軍隊都歸屬項羽統一指揮。巨鹿之戰後秦軍被項羽擊敗，章邯退至巨鹿南麵的棘原駐守，項羽駐紮在漳水南岸，秦楚兩軍相持多次交戰，但是沒有再一次發動決戰。
秦帝國宮廷內部也是爭權奪勢，相互傾軋。丞相李斯已死，趙高攫取了帝國大權，昏庸的秦二世成了趙高手中的傀儡。秦軍巨鹿之戰失利，秦二世派人責問章邯。章邯派長史司馬欣回鹹陽向秦二世匯報軍情，司馬欣到達鹹陽後，被趙高擋在皇宮外門，三天不得入見。司馬欣見勢不妙，趕緊奔回巨鹿向章邯報告說：“朝中現在是趙高一人說了算，仗打勝了，趙高必定嫉妒你的功勞；如若敗了，恐怕難免一死。”章邯猶豫不決，便秘密派使者候始成到項羽營中談判，以求與項羽訂立和約。項羽要求章邯無條件投降，章邯自然是沒有答應，和約沒有訂成。項羽派蒲將軍軍晝夜領兵從三戶津（河北臨漳縣漳河上的一個渡口）渡漳河，駐紮在漳河南麵。與秦軍交戰，又一次打敗了秦軍。
秦軍接連潰敗，章邯正式派使者求見項羽。大概是範增給項羽出的主意，讓項羽改變了主意。考慮到久戰糧草不濟，還要抓緊時間入關中，答應了與章邯訂立和約。項、章約在洹水南岸的殷墟（今河南安陽小屯）相見。章邯滿麵流涕，向項羽訴說了趙高的種種行為。項、章訂立盟約，項羽立章邯為雍王，安置在楚軍營中；司馬欣為上將軍，帶領投降的秦軍為先鋒部隊，向西挺進鹹陽。章邯陣前倒戈項羽，項羽統率著各路諸侯軍隊一路浩浩****，向秦王朝的所在地關中進發的速度大大加快了。