汉四年十月（前204年11-12月），刘邦乘项羽东去兵力薄弱之机，反攻成皋。初时，成皋楚军坚守不战。刘邦数次遣人到阵前辱骂，终于激怒曹咎，率部出击。汉军乘楚军半渡汜水之时，全力反击，斩杀了曹咎，再次夺回成皋，并俘虏了前塞王司马欣与翟王董翳。乘胜进至广武(今河南荥阳东北)，并包围楚将钟离昧于荥阳以东。项羽急忙从睢阳回救，汉军鉴于兵力不足，暂时无力彻底消灭楚军，于是见好就收，据险坚守。（注：汜水在成皋以东，汉军从西边进攻成皋，必是先破成皋，后渡汜水，《项羽本纪》的记载可能有误）
汉军再次收复成皋后，据险坚守，双方在广武山（今河南荥阳东北）再次形成对峙。
此时灌婴、曹参等赶赴齐国助韩信攻破了历城、临淄，齐王田广逃到高密。项羽所派增援齐国的二十万楚军也被汉军消灭，楚将龙且被汉军阵斩，齐国全境也被汉军平定。汉四年（公元前203年）二月，韩信自立为齐王。
此时，彭越数反梁地，绝楚粮食，项羽患之。于是置刘邦的父亲太公于鼎镬上，告诉刘邦说：“今不急下，吾烹太公。”（今天不赶快投降，我就烹煮了你父亲），刘邦却回答道：“吾与汝俱北面受命怀王，曰‘约为兄弟’，吾翁即若翁，必欲烹而翁，则幸分我一桮羹。”项羽见无济于事，只好作罢。
又有一次，项羽对刘邦说：“天下匈匈数岁者，徒以吾两人耳，愿与汉王挑战决雌雄，毋徒苦天下之民父子为也。”刘邦却笑着拒绝说：“吾宁斗智，不能斗力。”并向项羽宣布他的十条罪状。项羽恼怒之下，用暗箭偷偷射向刘邦，正中刘邦胸部，刘邦受伤，回到成皋养病。
项羽终究无力挽回楚国的颓势，战争的优势已完全向汉方倾斜。刘邦病好后，他终于可以放松一下了，命令樊哙守广武，周勃守敖仓，带上在汜水之战俘虏的前塞王司马欣，回到关中，将司马欣在他的原都城栎阳枭首，置酒慰问关中父老，四日后，带领关中兵又回到广武。
韩信东征
安邑之战
汉二年（公元前205年）八月，魏王豹踞河东（郡治安邑，今山西夏县西北禹王城）反汉归楚，威胁汉军侧翼。刘邦先派郦食其游说未成，即命韩信率军进攻。九月，韩信突袭安邑，生擒魏豹，灭魏国。
安邑之战，汉魏两军使用的兵力不大，是个规模比较小的战役，但是对当时战局则起了极大影响。汉军凭着占领魏属的河东、太原等郡，可以经略赵代，进攻燕齐，形成从北面包围楚国的优越战略态势。
汉军统帅韩信于安邑之战中，采用了与对三秦作战“明修栈道，暗渡陈仓”同样的诡诈手段，又一次成功地获得了全战役的彻底胜利。韩信用一部兵力阳渡临晋，主力暗渡夏阳的手法，引诱轻举妄动的魏豹，把主力调集到蒲坂以西地区，造成了魏王豹的错觉，巧妙地掩护了自己渡河的真实意图，使数万大军顺利渡河成功。
汉军渡河急进，奇袭安邑要地，一战全歼敌人，突出地展示了韩信军事指挥的卓越才能。
九月，魏王豹率军迎击，但遭到大败，魏王被俘虏，刘邦令其为将助守荥阳。