拿下荥阳之后，项羽又占领了成皋(现在河南荥阳汜水镇)，刘邦后来集兵力将成皋收回，然后围困荥阳。项羽和刘邦在荥阳东北部的广武山一带相持不下，对峙达几个月之久，战局成胶着状态，项羽几次猛攻，刘邦就是不出战，凭着深沟高垒固守。项羽急于和刘邦决战，因为持久战对他不利，刘邦的粮草供应顺畅，而他的粮草供应却常遭到彭越的袭击。
为了尽早结束战斗，同时迫使刘邦投降，项羽就把原先俘获的刘邦的父亲和妻子押到了两军阵前，他对刘邦说:你如果再不投降，我就把你的父亲煮了!刘邦知道项羽在要挟他，干脆耍起了无赖:我和你曾经"约为兄弟"，所以我的父亲就是你的父亲了。你要是一定要煮了你的父亲，那就请便吧。不过，别忘了也送给我一碗肉汤。项羽听了气得七窍生烟，当场就下令将刘邦的父亲杀死，项伯从旁劝说道:现在天下尚未定，而争夺天下的人是不会顾忌家人生死安危的，杀了他的亲人也起不到什么作用，只会加深祸患。项羽便命人将刘邦的父亲带回去。项羽又对刘邦说:天下连年战乱，只因为我们两人，我们单独挑战来决雌雄吧。刘邦没有上他的当，却说:我和你只斗智不斗力。就这一句话实际上道出了刘邦取胜的根本所在!
接着刘邦接受建议，宣布项羽有十罪状:第一，你负前约，没有让我称王天下，而是称王蜀汉。第二，你杀死首领宋义，取而代之。第三，你救赵之后，本该息兵，却进军关。第四，火烧阿房宫，饱私囊。第五，你杀死秦王子婴。第六，你坑杀秦的投降士卒二十万。第七，对诸侯王分封不公。第八，将义帝赶出彭城，自己占为都城。第九，暗害义帝。第十，为人臣而弑主，杀害已经投降的士兵，主持政务不公平，主持约定也不守信用，我现在率领天下义军诛杀你这残忍的逆贼，用受过刑的罪人来杀你也就够了，何必非要和你单独决斗呢!
楚汉双方对阵了十个多月，在侯公的撮合下，项羽和刘邦定下了停战协定:楚汉以鸿沟(现在河南荥阳、牟和开封一线)为分界线，东西分治。协定达成之后，项羽将刘邦的父亲和妻子送还。项羽领兵东返，刘邦也打算领兵回关。张良和陈平则极力劝说刘邦趁机灭掉项羽，因为这时项羽兵不精粮不足，万一他回到彭城，等于是纵虎归山。刘邦听了赶紧命令追击。同时派人命韩信和彭越火速集结，合击项羽。
公元前202年的十月，刘邦追上了项羽，但韩信和彭越的军队还没有到达。项羽向汉军猛烈反击，将汉军击溃。刘邦只得坚守不出，问谋士张良有什么良策。张良说如果能封给韩信齐地，封给彭越梁地，那他们两个肯定会火速进兵的。刘邦马上派人许诺韩信和彭越，在击败项羽后立即封他们为齐王和梁王，韩信和彭越也很快有了回音:立即进兵。同时，楚的司马周殷也被刘邦派人劝降，淮南王英布领兵也赶来会师。汉军会合各路援军共三十万，和项羽决战垓下。夜里，围困项羽的汉军唱起了楚国苍凉的歌，使项羽以为汉军已占有全部楚地。走投无路的项羽在帐和心爱的虞姬饮酒，借着酒力慷慨而歌:力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何!虞姬唱道:汉兵已略地，四方楚歌声。王意气尽，贱妾何聊生。
追问谁镇守了彭城？项羽即将败的时候，为什么没有援军？