項梁兩次打敗秦軍，露出驕傲的神色。宋義進諫，項梁不聽。秦朝給章邯增派了軍隊，趁著黑夜襲擊項梁軍隊。為了防止喧譁，讓士兵口裡都銜著一根橫木棍，結果在定陶打敗了項梁的軍隊，項梁戰死。這時，沛公和項羽正在攻打陳留，聽說項梁已死，就帶兵和呂將軍一起向東進軍。呂臣的軍隊駐紮在彭城的東面，項羽的軍隊駐紮在彭城的西面，沛公的軍隊駐紮在碭縣。
章邯打敗了項梁的軍隊之後，就以為楚地的軍隊不值得擔憂，於是渡過黃河，向北進攻趙國，大敗趙軍。正當這個時候，趙歇立為趙王，秦將王離在鉅鹿城包圍了趙歇的軍隊，這就是所謂的河北軍。
秦二世三年（前207），楚懷王看到項梁軍已被打敗，害怕了，就把都城從盱臺遷到彭城，把呂臣、項羽的軍隊合在一起由他親自率領。任命沛公為碭郡太守，封為武安侯，統率碭郡的部隊。封項羽為長安侯，號稱魯公。呂臣擔任司徒，他的父親呂青擔任令尹。
趙國幾次請求援救，懷王就任命宋義為上將軍，項羽為次將，範曾為末將，向北進兵救趙。命令沛公向西攻取土地，進軍關中。和諸將相約，誰先進入函谷關平定關中，就讓誰在關中做王。
這時候，秦軍強大，常常乘著勝利的威勢追擊敗逃之敵，諸將中沒有人認為先入關是有利的事。只有項羽恨秦軍打敗了項梁的軍隊，很激憤，願意和沛公一起西進入關。懷王手下的老將們都說：“項羽這個人敏捷勇猛，卻又奸猾傷人。項羽曾經攻下襄城，那裡的軍民沒有一個活下來，都被他活埋了。凡是他經過的地方，沒有不被毀滅的。再說，多次進攻，先前陳王、項梁都被打敗了，不如改派忠厚老實的人，實行仁義，率軍西進，向秦地的父老兄弟講明道理。秦地父老兄弟因為他們的君主暴虐而受苦已經很久了，現在如果真的能有位忠厚老實的人前去，不欺壓百姓，才會使秦地降服。項羽只是敏捷勇猛，不能派他去。現在只有沛公一向忠厚老實，可以派他去。”懷王最終沒有答應項羽，而派了沛公率領大軍向西去奪取土地，一路收集陳勝、項梁的散兵。沛公取道碭縣到達成陽，與槓裡的秦軍對壘相持，結果擊敗了秦軍的兩支部隊。楚軍又出兵攻擊王離，把王離打得大敗。
沛公率兵西進，在昌邑與彭越相遇。於是和他一起攻打秦軍，戰事不利。撤兵到慄縣，正好遇到剛武侯，就把他的軍隊奪了過來，大約有四千人，併入了自己的軍隊。又與魏將皇欣、魏申徒武蒲的軍隊合力攻打昌邑，沒有攻下。沛公繼續西進，經過高陽。酈食其（ｙì ｊī，義基）負責看管城門，他說：“各路經過此地的多了，我看只有沛公才是個德行高尚忠厚老實的人。”於是前去求見，遊說沛公。沛公當時正叉開兩腿坐在床上，讓兩個女子給他洗腳。酈食其見了並叩不拜，只是略微俯身作了個長揖，說：“如果您一定要誅滅沒有德政的暴秦，就不應該坐著接見長者。”於是沛公站起身來，整理衣服，向他道歉，把他請到上坐 。酈食其勸說沛公襲擊陳留，得到了秦軍儲存的糧食。沛公就封酈食其為廣野君，任命他的弟弟酈商為將軍，統率陳留的軍隊，與沛公一起攻開啟封，沒有攻下。繼續向西，與秦將楊熊在白馬打了一仗，又在曲遇東面打了一仗，大破秦軍。楊熊逃到滎陽去了，秦二世派使者將他斬首示眾。沛公又向南攻打穎陽，屠戮了穎陽。透過張良的關係，佔領了韓國的轘（ｈｕáｎ，環）轅險道。
這時候，趙國的別