刘邦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，建议刘邦派兵出武关（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。刘邦欣然采纳这一计策，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，与刘邦及荥阳汉军互相策应。汉军的行动果然调动了项羽的南下。这时刘邦却又转攻为守，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，刘邦乘机收复了成皋。

六月，项羽击退彭越后，立即回师西进，对刘邦发动第二次攻势，攻占荥阳，再夺成皋。并继续西进，抵达今河南巩县一带。刘邦仓猝北渡黄河，逃到小修武（今河南获嘉东），在那里刘邦征调到韩信的大部分部队，以支撑危局，增强正面的防御。刘邦深知项羽的厉害，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，刘邦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。刘邦见激将法奏效，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，欲与刘邦决一雌雄。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，遂被迫与刘邦议和，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。

成皋之战，是楚汉战争中具有决定性意义的一仗。它使楚汉之间的实力对比发生彻底的改变，项羽的失败已成为不可逆转的趋势。刘邦把握时机，采纳张良建议，于汉高帝五年（前202年）十月，乘项羽引兵东撤之际，实施战略追击。

十二月，在垓下（今安徽灵壁南）合围并大败楚军，项羽突围后自刎于乌江（今安徽和县北）。次年二月，刘邦称帝，建立汉朝，重新统一了中国，中国历史揭开了新的一幕。

刘邦以弱小的力量，在成皋之战中战胜强大的楚军，这除了政治上注意争取人心和团结内部外，军事上的胜算主要在于对战略全局处置得比较适当和作战指挥的高明正确。这具体表现为：第一，重视战略后方基地的建设，使汉军在人力物力上得到源源不断的补充，能够坚持长期的战争。第二，彭城失利后，鉴于汉弱楚强的实际情况，适时改变战略方针，转攻为守，持久防御，挫败项羽的速决企图。第三，制定出正面坚持、南北两翼牵制，敌后袭扰的作战部署，并坚决付诸实施，使楚军陷于多面作战的困境，顾此失彼。第四，实施灵活机动的作战指导，致人而不致于人，千方百计调动对手，使之疲于奔命；并积极争取外线，逐步完成对楚军的战略包围。第五，巧妙行间，分化瓦解敌军，善于争取诸侯，最大限度地在军事上孤立项羽本人。

项羽作为一员叱咤风云的历史人物，在当时的政治舞台上曾放射过夺目的光彩，然而他最终还是失败了，这与他政治上、军事上的失策是密切相联的。他分封诸侯，违背了历史发展的趋势；他嗜杀好战，激起了民众的反对；他不重视争取同盟，造成了自己的孤立；他不善于起用人才，团结内部，导致了众叛亲离；他不注意战略基地建设，以至于无法长期支持战争；他缺乏战略头脑，只知道一味死打硬拚，没有主要的打击方向，决定了他虽然能够赢得不少战役、战斗的胜利，但却不能扭转战略上的被动，最终导致了战争的彻底失败。项羽战场指挥的成功和战略指导的失策之间的巨大矛盾反差，以及由此而产生的结局，给后世军事家留下了极其深刻的历史教训。